Høj hastighed uden risici
Big Data og lignende teknologier stiller stadig større krav til dataoverførselshastigheder. Samtidig skal elektroniske komponenter ikke blot blive hurtigere og smartere, men også stadig mindre. Dette medfører særlige risici i forbindelse med dataoverførsel og dermed også nye udfordringer for stikteknologien. Hvad skal du være opmærksom på, når du vælger stik, for at undgå signalforstyrrelser?
Den fortsatte digitalisering inden for alle brancher, såsom Industrial Internet of Things, Industri 4.0, Smart Grid og Smart Home, kræver højhastighedsdataoverførsel fra sensoren til skyen. Men det gælder ikke kun for sensorer, men også for industrielle styresystemer og kamerasystemer, datakommunikation samt serverapplikationer: Signaler skal overføres pålideligt med 20 Gbit/s og mere. Ud over høj hastighed medfører IIoT, Big Data og lignende endnu en tendens: Elektroniske komponenter skal ikke kun blive hurtigere og smartere, men også mindre og mindre. Denne fortsatte miniaturisering gør det vanskeligt for udviklere at bestå de obligatoriske EMC-test i henhold til den europæiske direktiv. Elektroniske komponenter i et modul kan nemlig fungere både som støjmodtagere og som støjkilder, og den tætte placering af følsomme komponenter øger risikoen for gensidig påvirkning.
Definition af køretøjets elektriske system: Decentral, domæne- og zonebaseret arkitektur
Den klassiske decentraliserede arkitektur i biler består af op til 100 styreenheder, hvor hver styreenhed har en bestemt funktion: motorstyring, airbag, ABS/ESP, sædejustering, klimaanlæg osv. Hver styreenhed fungerer selvstændigt og kommunikerer via gateways med andre styreenheder.
I løbet af de seneste årtier har den decentraliserede arkitektur gennemgået en historisk vækst, hvor hver ny funktionalitet blev suppleret med endnu en styreenhed. I dag er den imidlertid ved at nå sine grænser: Stigende funktionaliteter øger installations- og ledningsføringsomkostningerne i køretøjet betydeligt.
I domænearkitekturen samles styreenhederne i forskellige funktionsområder. Hvert domæne er ansvarligt for et bestemt område af køretøjet, såsom fremdrift, infotainment eller sikkerhed. Den overordnede styring af et domæne udføres af en selvstændig højtydende computer (HPC). Denne koordinerer styreenhederne inden for sit domæne. For funktionsområdet sikkerhed ville det for eksempel være styreenheder til førerassistancesystemer, ABS/ESP og styresystemer.
I forhold til den decentraliserede arkitektur reduceres omkostningerne til ledningsføring og installation på grund af det mindre antal indbyggede styreenheder. Domænearkitekturen kan således i forhold til den decentraliserede arkitektur også bidrage effektivt til at reducere omkostninger og vægt. Derudover kan yderligere funktioner integreres efterfølgende med minimal indsats.
I zonearkitekturen sker struktureringen ikke på basis af domæner, men efter lokale zoner. Således samles der for eksempel flere funktioner inden for en zone i bilen. Dermed kan funktioner som fremdrift og infotainment sagtens samles og behandles i en zonecontroller. Den overordnede styring af de forskellige zonecontrollere sker via en central HPC. Fordelen er indlysende: En reduktion af styreenhederne samt deres kabelføring med op til 50 procent.
I løbet af de seneste årtier har den decentraliserede arkitektur gennemgået en historisk vækst, hvor hver ny funktionalitet blev suppleret med endnu en styreenhed. I dag er den imidlertid ved at nå sine grænser: Stigende funktionaliteter øger installations- og ledningsføringsomkostningerne i køretøjet betydeligt.
I domænearkitekturen samles styreenhederne i forskellige funktionsområder. Hvert domæne er ansvarligt for et bestemt område af køretøjet, såsom fremdrift, infotainment eller sikkerhed. Den overordnede styring af et domæne udføres af en selvstændig højtydende computer (HPC). Denne koordinerer styreenhederne inden for sit domæne. For funktionsområdet sikkerhed ville det for eksempel være styreenheder til førerassistancesystemer, ABS/ESP og styresystemer.
I forhold til den decentraliserede arkitektur reduceres omkostningerne til ledningsføring og installation på grund af det mindre antal indbyggede styreenheder. Domænearkitekturen kan således i forhold til den decentraliserede arkitektur også bidrage effektivt til at reducere omkostninger og vægt. Derudover kan yderligere funktioner integreres efterfølgende med minimal indsats.
I zonearkitekturen sker struktureringen ikke på basis af domæner, men efter lokale zoner. Således samles der for eksempel flere funktioner inden for en zone i bilen. Dermed kan funktioner som fremdrift og infotainment sagtens samles og behandles i en zonecontroller. Den overordnede styring af de forskellige zonecontrollere sker via en central HPC. Fordelen er indlysende: En reduktion af styreenhederne samt deres kabelføring med op til 50 procent.
Krav til HPC og dens stikforbindelser
Kravene til et HPC er derfor store: Ikke mindst behandlingen af billeddata inden for infotainment eller kamerasystemer til autonom kørsel kræver en sikker højhastighedsdataoverførsel med korte ventetider. Samtidig må signaloverførslen under ingen omstændigheder svigte – dens pålidelighed skal være sikret til enhver tid.
Høj ydeevne, hurtig og frem for alt pålidelig dataoverførsel – undertiden under ugunstige miljøforhold – er således også krav, der stilles til de indbyggede stikforbindelser.
Et signals "læsbarhed" kan illustreres ved hjælp af det såkaldte øjediagram. Dette angiver, om et transmitteret signal i modtageren entydigt kan tildeles de digitale tilstande 1 eller 0.
Til dette formål gennemløber et signal en defineret transmissionsstrækning, hvor det registreres, overlejres og vises af et oscilloskop. På denne måde kan alle mulige signalforløb afbildes "oven på hinanden". I teorien er overgangene mellem de logiske tilstande uendeligt stejle, og signallinjerne forløber nøjagtigt oven på hinanden. På grund af eksterne forstyrrende faktorer og interne forstyrrelser af signalparrene flader signalstigningen ud, og amplituden ændrer sig. Der opstår den form, der har givet diagrammet dets navn: et øje.
Høj ydeevne, hurtig og frem for alt pålidelig dataoverførsel – undertiden under ugunstige miljøforhold – er således også krav, der stilles til de indbyggede stikforbindelser.
Et signals "læsbarhed" kan illustreres ved hjælp af det såkaldte øjediagram. Dette angiver, om et transmitteret signal i modtageren entydigt kan tildeles de digitale tilstande 1 eller 0.
Til dette formål gennemløber et signal en defineret transmissionsstrækning, hvor det registreres, overlejres og vises af et oscilloskop. På denne måde kan alle mulige signalforløb afbildes "oven på hinanden". I teorien er overgangene mellem de logiske tilstande uendeligt stejle, og signallinjerne forløber nøjagtigt oven på hinanden. På grund af eksterne forstyrrende faktorer og interne forstyrrelser af signalparrene flader signalstigningen ud, og amplituden ændrer sig. Der opstår den form, der har givet diagrammet dets navn: et øje.
I midten af diagrammet kan man se den såkaldte Eye Mask. Det er ikke muligt at identificere signalet entydigt i dette område.
De to øjendiagrammer viser indflydelsen af ledningslængde og impedans ved hjælp af eksemplet med ept Colibri-stik i udførelserne 16 + Gbit/s og 10 Gbit/s. Eksemplet illustrerer, hvordan man gennem videreudvikling af kontaktdesignet har kunnet opnå en markant forbedring af signalintegriteten (se fig. XX). Takket være en kortere ledningslængde og en impedans på 100 Ω kan øjet på 16+ Gbit/s-varianten af Colibri danne sig tydeligere end på den tidligere variant af Colibri med 10 Gbit/s – signalparrene kan fortolkes entydigt.
De to øjendiagrammer viser indflydelsen af ledningslængde og impedans ved hjælp af eksemplet med ept Colibri-stik i udførelserne 16 + Gbit/s og 10 Gbit/s. Eksemplet illustrerer, hvordan man gennem videreudvikling af kontaktdesignet har kunnet opnå en markant forbedring af signalintegriteten (se fig. XX). Takket være en kortere ledningslængde og en impedans på 100 Ω kan øjet på 16+ Gbit/s-varianten af Colibri danne sig tydeligere end på den tidligere variant af Colibri med 10 Gbit/s – signalparrene kan fortolkes entydigt.
Da højhastighedssignaler er særligt følsomme over for elektromagnetiske forstyrrelser, kræver de en særlig signalbeskyttelse. Et stik kan i denne sammenhæng fungere både som forstyrrelseskilde og som modtager. Af denne grund anbefales signalbeskyttelse ved hjælp af afskærmningsplade for at beskytte de følsomme signaler mod eksterne påvirkninger.
Figur 4 viser, at selv en lille elektrisk impuls kan forvrænge det nyttige signal. Modtageren kan ikke længere entydigt fortolke de digitale tilstande i HDMI-signalet efter en kort burst-impuls på 0,5 kV, hvorimod signaloverførslen i det afskærmede stikforbindelse stadig er stabil selv ved 4,4 kV.
Figur 4 viser, at selv en lille elektrisk impuls kan forvrænge det nyttige signal. Modtageren kan ikke længere entydigt fortolke de digitale tilstande i HDMI-signalet efter en kort burst-impuls på 0,5 kV, hvorimod signaloverførslen i det afskærmede stikforbindelse stadig er stabil selv ved 4,4 kV.
Med koblingsinduktansen LK som EMC-parameter kan stikket beskrives ved at betragte de elektriske forhold i begge funktioner – kilde og dræn. Her anvendes enheden henry. Dette gælder både for støjimmunitet og for støjudsendelse. Hvis den inducerede spænding (Uind), generatorens spænding (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) er kendt, kan den respektive specifikke maksimalt tilladte koblingsinduktans (L) for en anvendelse bestemmes ved hjælp af følgende formel:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Koblingsinduktiviteten hjælper desuden brugeren med at definere det passende stik med hensyn til dets elektromagnetiske kompatibilitet og undgå omkostnings- og tidskrævende trial-and-error-test i EMC-laboratoriet. Her er et eksempel: For et HDMI-signal blev der ved en spænding på 4,4 kV fastslået en tilfældespecifik maksimal koblingsinduktans på 47 picohenry (pH). Ligger værdien derover, kan signalet derfor ikke længere overføres uden forstyrrelser.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Koblingsinduktiviteten hjælper desuden brugeren med at definere det passende stik med hensyn til dets elektromagnetiske kompatibilitet og undgå omkostnings- og tidskrævende trial-and-error-test i EMC-laboratoriet. Her er et eksempel: For et HDMI-signal blev der ved en spænding på 4,4 kV fastslået en tilfældespecifik maksimal koblingsinduktans på 47 picohenry (pH). Ligger værdien derover, kan signalet derfor ikke længere overføres uden forstyrrelser.
Men det er ikke kun elektromagnetiske påvirkninger, der udgør en risiko for transmissionen af højhastighedssignaler. Især i bilindustrien udsættes stikforbindelser gentagne gange for ekstreme miljøforhold som vibrationer og stød. For at signaloverførslen kan foregå uden afbrydelser selv i barske omgivelser, skal stikforbindelsen være særligt robust. Her spiller først og fremmest kontaktdesign, kontaktsystem og tilslutningsteknik en afgørende rolle.
Faktor: Kontaktsystem
Klassiske todelte stik har en knivkontakt og en fjederkontakt. Ved kraftige stød kan knivkontakten dog løfte sig fra fjederkontakten. For at undgå en sådan kontaktafbrydelse kan man ved hjælp af en dobbeltsidet fjederkontakt sikre redundans og dermed kontaktsikkerhed, da den anden fjeder sikrer, at signaloverførslen til enhver tid sker via mindst ét kontaktpunkt (fig. 5).
Stikforbindelser med det såkaldte »kønsneutrale« kontaktsystem er derimod endnu mere robuste. Det særlige ved disse er, at stikparrene – stik og stikdåse – har identiske kontaktgeometrier. Begge har således både en fjeder og en kontaktstift. Hver pin får dermed kontakt med to fjedre, og stik og stikdåse er sammenflettede og kan ikke løsnes fra hinanden. Mens en dobbeltsidet fjederliste under mekanisk belastning altid sikrer mindst ét kontaktpunkt, garanterer de sammenflettede geometrier i kønsneutrale kontaktsystemer, at signaloverførslen altid foregår via to kontaktpunkter. Denne høje redundans muliggør dermed maksimal kontaktsikkerhed (fig. 5).
Som tilslutningsteknik til en holdbar forbindelse mellem printkortet og stikket anbefales Surface-Mount-teknologi (SMT). Her lodes stikkene ved hjælp af loddepasta fast på bestemte tilslutningsflader på printkortet, de såkaldte loddepuder. Først i en såkaldt reflow-ovn smeltes loddematerialet og hærdes derefter. Med SMT kan der opnås stabile forbindelser mellem stik og printplade. Til dette skal der dog opfyldes nogle kriterier: For det første skal det korrekte forhold mellem loddefod, loddepude og loddepasta overholdes for at opnå en loddeforbindelse, der overholder standarden IPC-A-610. Kun på denne måde opnås en forbindelse af høj kvalitet, der muliggør en tilslutning i henhold til IPC-klasse 3, hvilket betyder, at den er egnet til brug i højtydende elektronik. I denne klasse skal fejl i signaloverførslen udelukkes til enhver tid. En optimal loddeforbindelse kan genkendes på den jævne meniskdannelse. Kontakten skal være omgivet af loddemenisk hele vejen rundt for at opnå den bedste fastgørelseskraft på printkortet. (Fig. 9).
Det er en forudsætning for en fremragende forbindelse, at kontaktfødderne ligger i samme plan, og dette kontrolleres løbende under produktionen ved hjælp af en 100 % automatiseret inspektion.
Konklusion
De seneste udviklinger i bilindustrien stiller stadig nye krav til de indbyggede stikforbindelser. Umiddelbart ser det ud til, at de indbyggede stikkers rolle træder i baggrunden på grund af det reducerede antal styreenheder. Ved nærmere betragtning viser det sig imidlertid, at deres rolle netop vinder i betydning som følge af denne omstilling til central databehandling ved hjælp af HPC: Pålidelighed i signaloverførslen har aldrig været så vigtig som i dag.