Utilizarea conectorilor ecranați pentru a obține o conectivitate fiabilă de mare viteză în factori de formă compacți și denși

Ecranarea electrică este un considerent de proiectare și de fabricație aflat pe lista de preocupări a inginerilor încă din primele zile ale electronicii, dar care devine din ce în ce mai important pe măsură ce vitezele de transfer al datelor cresc, iar sistemele devin mai mici și mai strâns integrate, cu mai multe linii de semnal în apropiere. Aceste tendințe complică foarte mult ceea ce altfel este un concept simplu: prevenirea ajungerii unui semnal extern nedorit la un conductor care transportă un semnal și afectarea acestuia, precum și prevenirea radierii în exterior a energiei unui semnal dorit și afectarea conductorilor și circuitelor din apropiere.

Pentru a fi eficientă, ecranarea trebuie să înconjoare în totalitate conductorii activi, formând o barieră conductivă de 360° de-a lungul întregului traseu, inclusiv a conectorilor de terminare. Pentru a realiza acest lucru, mulți proiectanți presupun că trebuie să utilizeze cabluri și conectori coaxiali, deoarece ecranarea internă a cablului poate fi prevăzută cu o terminație, păstrându-se integritatea ecranării la 360°. Cu toate acestea, densitatea superficială a canalelor rezultată în cazul utilizării cablurilor coaxiale este scăzută, astfel că această abordare nu este potrivită pentru a îndeplini cerințele electrice și fizice de mare viteză și de mare densitate ale multor aplicații de interconectare placă-placă și placă-backplane. Soluția este alegerea interconexiunilor de mare viteză complet ecranate. Acestea suportă un număr mare de trasee de semnal într-o singură carcasă de conector complet ecranată.

Articolul de față prezintă pe scurt elementele de bază ale ecranării și provocările cu care se confruntă proiectanții atunci când implementează ecranare și interconexiuni cu număr mare de canale în cazul în care mai multe cabluri coaxiale cu un singur canal ar avea o dimensiune și un volum agregat excesiv. Acesta arată de ce este atât de importantă ecranarea la 360° și apelează la mai multe familii de conectori ecranați de la Samtec pentru a ilustra cele mai bune practici de proiectare și implementare pentru integritatea semnalului de mare viteză în spații limitate.

Începeți cu elementele de bază ale ecranării

Cablurile și interconexiunile (conectorii) acestora sunt o parte esențială a aproape tuturor sistemelor. Acestea pot conecta o placă de bază la o placă de tip mezanin, o placă la un panou de utilizator, o interfață specializată sau un aranjament de intrare/ieșire (I/O). Pentru a menține integritatea semnalului, interconectarea trebuie să suporte lățimea de bandă a semnalului sau a semnalelor și să fie, de asemenea, rezistentă la interferențe electromagnetice/interferențe de radiofrecvență (EMI/RFI). În același timp, nu trebuie să permită radiației EMI/RFI să ajungă la interconexiuni, plăci sau componente adiacente, în special la cele care transportă semnale de nivel scăzut sau sensibile.

Ecranarea atenuează impactul interferențelor electromagnetice și al interferențelor de radiofrecvență. În funcție de locul și de modul în care este amplasată, aceasta poate atenua în primul rând zgomotul din apropierea sursei sale (zgomot uneori numit „agresor”) sau îl poate împiedica să ajungă la circuitele sensibile la zgomot („victimă”) (Figura 1).

Figura 1: Ecranarea funcționează ca o barieră între o sursă agresoare și o victimă neintenționată, nevinovată, a EMI și RFI. (Sursa imaginii: Journal of Computer Science and Engineering via Arvix)

Rețineți că un anumit conductor poate fi atât un agresor care emite un „grup” de energie EMI/RFI, cât și o victimă a energiei provenite de la o altă sursă. Mai mult, nu este obligatoriu ca agresorul EMI/RFI să fie o sursă externă „terță” care nu are legătură cu produsul; poate fi la fel de ușor o altă parte a sistemului care acționează ca un agresor involuntar, radiind energie pe un conductor sau o componentă adiacentă.

Există multe îndrumări, precum și așa-numitele „reguli generale” privind modul și locul de terminare a ecranării la masă a acestor cabluri și interconexiuni pentru a bloca sau a atenua semnificativ transferul de energie a zgomotului între agresor și victimă. Din nefericire, nu numai că aceste orientări sunt adesea în conflict, dar răspunsul corect sau cel mai bun pare să depindă adesea de specificul aranjamentului. Printre îndrumările sugerate se numără:

• Terminați (împământați) ambele capete ale ecranării.
• Terminați un singur capăt, la sursă.
• Terminați un singur capăt, la receptor.

Intuitiv, pare că nu toate acestea pot fi corecte sau ar putea fi, în funcție de specificul proiectului și de cât de multă atenuare este nevoie. Testele complete de laborator au arătat că, pentru o ecranare eficientă în gama gigahertzilor (GHz), ambele capete ale ecranării trebuie să fie terminate; cu alte cuvinte, ecranarea trebuie să fie continuă și neîntreruptă.

Regulile sunt ceva mai flexibile la frecvențele audio și la frecvențele RF mai mici. Cu toate acestea, terminarea ecranării la un singur capăt poate fi acceptabilă pentru aplicații de până la aproximativ 1 megahertz (MHz), dar nu este adecvată pentru 10 MHz și mai mult.

Este necesară o ecranare completă

Rezultatele detaliate ale testelor au arătat, de asemenea, cum terminația scurtă cu „sârmă de legătură” utilizată pe scară largă pentru ecranare a fost adesea ineficientă (Figura 2). Chiar dacă are o lungime de numai câțiva milimetri (mm), inductanța sa scăzută îi afectează performanța la frecvențe mai mari și astfel ar putea anula o mare parte din performanța ecranării. Mai rău, terminalul inofensiv cu sârmă de legătură ar putea fi, de fapt, contraproductiv, acționând ca un radiator de energie electromagnetică (o antenă), radiind mai mult EMI/RFI, în loc să fie pur și simplu ineficient în atenuarea acesteia.

Figura 2: Terminația inofensivă a ecranării cu sârmă de legătură de pe acest cablu HDMI nu numai că este ineficientă, dar poate fi și un radiator electromagnetic contraproductiv. (Sursa imaginii: Dana Bergey și Nathan Altland, via Interference Technology)

În schimb, este nevoie de o acoperire fizică de 360° la terminația ecranării, ceea ce se impune în majoritatea standardelor de înaltă performanță și MIL (Figura 3).

Figura 3: Este necesară o terminație completă la 360° (sus) pentru o eficiență maximă a ecranării, în loc de o conexiune la masă rapidă și ușoară cu sârmă de legătură (jos). (Sursa imaginii: ResearchGate)

Nevoia de terminație la ambele capete cu acoperire de 360 de grade fără spații se datorează fizicii: pe măsură ce frecvențele de operare cresc în gama de sute de MHz și GHz, lungimile de undă corespunzătoare devin mai scurte. Acest lucru înseamnă că până și micile spații din acoperirea ecranării reprezintă o adevărată fereastră de oportunitate prin care să treacă energia semnalului cu o atenuare mică sau chiar fără atenuare.

Pe lângă frecvențele mai mari, sistemele de astăzi sunt foarte dense. Aceasta înseamnă că orice pierdere de propagare RF între agresor și victimă este mult mai mică, deoarece pierderea pe traseu crește odată cu pătratul distanței. Astfel, chiar și o cantitate aparent nesemnificativă de semnal agresor neintenționat poate ajunge și afecta circuitele victimei la o intensitate relativ mare.

Utilizarea unui ecran cu o integritate de 360°, adesea caracterizată de cabluri coaxiale și conectori individuali, este cu siguranță eficientă în ceea ce privește protecția EMI/RFI. Cu toate acestea, utilizarea cablului coaxial interferează adesea cu nevoile de densitate fizică ridicată ale multor sisteme.

În plus, multe sisteme de înaltă performanță au nevoie de ecranare pe mai multe linii de semnal paralele, după cum se vede în două scenarii de bază:

• Pentru interconexiuni placă-placă, cum ar fi între o placă de bază și o placă de tip mezanin, cu o singură ecranare în jurul liniilor multiple

• Mai multe cabluri coaxiale ecranate într-un singur ansamblu de cabluri, cu un singur conector de cuplare

Ecranare unică pentru proiecte placă-placă

Conceptul de utilizare a unei singure ecranări pentru mai multe linii de semnal este simplu în principiu. Liniile multiple sunt acoperite de o ecranare pliată peste inelul de siguranță, făcând contact cu carcasa conectorului (Figura 4).

Figura 4: Prin înfășurarea ecranării în jurul grupului de conductori de semnal, liniile multiple sunt ecranate ca un grup. (Sursa imaginii: Samtec)

Această abordare rezolvă problema ecranării și necesită un spațiu suplimentar minim pe placă în comparație cu o interconectare neecranată. Este important ca conectorul ecranat pentru linii multiple să ofere aceleași performanțe de bază ale liniei de semnal ca și un conector neecranat, asigurând în același timp o conectare și o deconectare fiabilă și consecventă fără a compromite ecranarea.

Un exemplu de interconectare ecranată pentru linii multiple este o pereche de conectori ecranați placă-placă cu 20 de poziții, regleta ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR de la Samtec și soclul ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR (Figura 5). Aceste reglete robuste de conectori de mare viteză sunt concepute pentru aplicații de mare viteză (codificare fără revenire la zero (NRZ) la 28 de gigabiți pe secundă (Gbit/s) și modulație în amplitudine a impulsurilor pe patru niveluri (PAM4) la 56 Gbit/s), cu un număr ridicat de cicluri.

Figura 5: Regleta ERM8 cu 20 de poziții (stânga) și soclul ERF8 corespunzător (dreapta) asigură conectivitate ecranată între plăci. (Sursa imaginii: Samtec)

Conectorii oferă o deplasare a contactelor de până la 1,5 mm și sunt prevăzuți cu fixare robustă, blocare, ecranare la 360° și sunt rezistenți atunci când sunt „desprinși” (trași în afara axei cu o forță nefirească) în timpul dezasamblării. Performanța la viteză ridicată este permisă de sistemul de contacte Edge Rate de la Samtec, care este proiectat pentru aplicații de mare viteză și cu număr ridicat de cicluri. Acesta este optimizat pentru integritatea semnalului prin reducerea cuplării suprapuse și are o suprafață de contact netedă, cu frezare largă, pentru uzură redusă (Figura 6).

Figura 6: Pentru a reduce cuplarea suprapusă a semnalului, ERM8 și ERF8 utilizează un sistem de contacte Edge Rate brevetat. (Sursa imaginii: Samtec)

Contactele cu frezare largă creează o suprafață de contact netedă, spre deosebire de un contact ștanțat care se cuplează cu o margine tăiată. Această suprafață netedă de cuplare reduce urmele de uzură de pe contact, mărind durabilitatea și durata de viață a sistemului de contact. De asemenea, reduce forțele de inserție și de retragere.

Sunt necesare și cabluri coaxiale

Cablurile coaxiale au un rol esențial și de neînlocuit în transmiterea semnalelor, dar utilizarea unor interconexiuni care acceptă doar un singur cablu coaxial poate fi frustrantă atunci când este nevoie de mai multe semnale paralele. Pentru a rezolva această situație, Samtec oferă o familie de conectori ecranați pentru cabluri coaxiali multiliniari care acceptă 20, 30, 40 și 50 de poziții. Printre aceștia se numără LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, un conector hermafrodit cu montare pe suprafață, cu 20 de poziții, cu auto-cuplare (Figura 7).

Figura 7: LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR este un conector hermafrodit cu 20 de poziții, cu montare pe suprafață și auto-cuplare, cu până la 50 de poziții. (Sursa imaginii: Samtec)

LSHM este un conector robust, de înaltă densitate, destinat utilizării în aplicații de la placă la placă și de la placă la cablu, cu ecranare opțională pentru protecție EMI. Cu sistemul de contact cu pas fin Razor Beam, designul hermafrodit economisește spațiu pe placa de circuite imprimate (PCB) pe axele X, Y și Z. Acest conector are un pas de 0,50 mm și oferă un clic audibil atunci când este cuplat, cu forțe de conectare și de deconectare de aproximativ patru până la șase ori mai mari decât cele ale conectorilor tipici cu micro-pas.

Acest conector montat pe placă reprezintă doar jumătate din povestea interconectării, deoarece este necesar un ansamblu de cabluri (Figura 8). De asemenea, acest ansamblu utilizează tehnologia Razor Beam cu un pas de 0,50 mm.

Figura 8: Ansamblurile de cabluri coaxiale cu pas fin Razor Beam cu auto-cuplare oferă o soluție completă de conectare a plăcii la cablu pe mai multe linii. (Sursa imaginii: Samtec)

Un ansamblu de cabluri complementar pentru acest conector coaxial multi-liniar ecranat, cu 20 de poziții, montat pe placă, este HLCD-10-40.00-TD-TH-1, un cablu lung de un metru, cu conectori hermafrodiți, fără gen, cu auto-cuplare la fiecare capăt (Figura 9). Acesta utilizează un cablu micro-coaxial de 38 AWG cu o impedanță de 50 de ohmi (Ω) și este evaluat la 14 Gbit/s per contact.

Figura 9: Ansamblurile de cabluri micro-coaxiale de 50 Ω multi-liniare, cum ar fi HLCD-10-40.00-TD-TH-1 cu 20 de poziții, includ conectori hermafrodiți, fără gen, cu auto-cuplare, la fiecare capăt. (Sursa imaginii: Samtec)

Asamblarea

Pentru a face ca acești conectori de mare viteză să fie mai ușor de specificat și de utilizat, Samtec a extins conceptul de configurare a plăcilor de circuite imprimate ale producătorului și modelele SPICE ale conectorilor, oferind modele de referință pentru una dintre cele mai dificile probleme de proiectare de pe placă: „regiunea de întrerupere” (BOR) critică din jurul conectorului de mare viteză. Inginerii de integritate a semnalului de la Samtec au dezvoltat ceea ce ei numesc o regiune de întrerupere finală cu recomandări legate de direcționarea traseelor pe placa de circuite imprimate pentru multe dintre seriile sale de conectori de mare viteză.

Aceste recomandări de proiectare se bazează pe utilizarea cu materiale standard pentru plăci, straturi multiple și procese de fabricație cu costuri reduse și randament ridicat și nu necesită niciun tratament special. Aceste recomandări pot economisi timp și resurse de proiectare, dezvoltare și validare și pot echilibra performanța cu productibilitatea și costurile.

Concluzie

Ecranarea electrică completă a cablurilor, a conectorilor și a interconexiunilor este esențială pentru integritatea semnalului și performanță, atât pentru configurațiile placă-placă, cât și pentru cele placă-cablu. Problema ecranării este mai dificilă atunci când există mai multe semnale paralele care trebuie ecranate pentru a preveni emisiile EMI/RFI sau sensibilitatea la aceste emisii. După cum s-a arătat, Samtec oferă diverse familii de interconexiuni multi-liniare de la placă la placă și de la cablu coaxial la placă pentru a simplifica proiectarea și fabricarea, menținând în același timp un nivel ridicat de integritate și performanță mecanică și electrică.