Slik sikrer du at kort-til-kort-kontakter oppfyller kravene til høyhastighetsmontering og bruk i kjøretøy

Konstruktører av kjøretøysystemer må være nøye når de velger og legger til kontakter, slik at de fungerer pålitelig både fysisk og elektrisk i omgivelser der de utsettes for ekstreme temperaturer og fuktighet, forurensning og vibrasjoner. Etter hvert som kjøretøy forvandles til kraftige «datamaskiner på hjul», blir det stadig mer utfordrende å oppfylle og opprettholde kravene til kjøretøyets ytelse og pålitelighet. Kontaktene må være i stand til å håndtere flere overføringslinjer i trangere omgivelser, med kommunikasjonshastigheter på flere gigabit per sekund, noe som er nødvendig for å imøtekomme standarder som 10GBASE-T1 og PCI Express versjon 3 (PCIe 3.0).

For å gjøre ting enda mer utfordrende, krever kjøretøybransjen svært høye produksjonsvolumer, så bedrifter i elektronikkmonteringsbransjen må benytte monteringsmaskiner med høye hastigheter for å holde tritt. Det er imidlertid vanskelig å holde produksjonshastigheter og produserte mengder høye, samtidig som kontaktene må plasseres nøyaktig slik at de senere kan sammenkobles uten problemer.

Disse utfordringene kan imøtekommes ved å bruke fysisk og elektrisk robuste kontakter med klaring som absorberer posisjonsforskyvninger eller skjevinnstillinger som oppstår under automatisk montering.

Denne artikkelen beskriver de elektriske signalene og de fysiske bruks- og produksjonskravene til kjøretøykontakter. Den introduserer deretter kontakter med klaring fra JAE Electronics som konstruktører kan bruke til å imøtekomme disse kravene. Spesifikasjoner angående standarder for høyhastighetskommunikasjon og valg og bruk av egnede kontakter er inkludert, i tillegg til veiledning om hvordan kontakter for høyhastighetskommunikasjonsprotokoller for kjøretøy velges, for eksempel 10GBASE-T1 og PCI Express versjon 3 (PCIe 3.0).

En orientering om høyhastighetskommunikasjonsprotokoller

10GBASE-T1 er en av en familie på 10 gigabit Ethernet (10 GbE)-standarder som tilbyr overføring av Ethernet-rammer med en hastighet på 10 gigabit per sekund (Gb/s). 10GBASE-T1 er en løsning for «kjøretøy-Ethernet» som fungerer ved hjelp av kabler med tvunnet par over avstander på opptil 15 meter (m). Datagjennomstrømningen på 10 Gb/s er den raskeste standarden for kjøretøykommunikasjon, og den kan støtte bruksområder som autonom kjøring.

PCIe 3.0 er en annen standard for høyhastighets seriell-datamaskin-ekspansjonsbuss. Den gir opptil 8 gigaoverføringer per sekund (GT/s – gigatransfers per second). I en høykvalitets «x16-baners» implementering tilsvarer 8 GT/s en samlet dataoverføringshastighet på 126 Gb/s.

Brukes tradisjonelt som en høyhastighetsbuss i datamaskiner, og denne teknologien er nå rettet mot kjøretøykonstruksjoner for fremtidens kjøretøy, fordi maskinvareutformingen garanterer at overførte datapakker kommer til den tiltenkte destinasjonen. Dette resulterer i et svært pålitelig system som er egnet for autonom kjøring.

Kontakter for høyhastighets kjøretøykommunikasjon

Høyhastighets kommunikasjonsprotokoller krever kontakter av høy kvalitet. Ikke bare må de gi en robust og pålitelig tilkobling for å sikre utmerket signalintegritet, de må også være relativt enkle å koble fra og koble til igjen over mange års tjeneste. De må også være i stand til å romme mange pinner og stikk med liten pinneavstand for å sikre kompakt konnektivitet med flere baner (multi-lane).

Et eksempel på en moderne kontaktfamilie for høyhastighetskommunikasjonsprotokoller som 10GBASE-T1 og PCIe 3.0, er MA01-serien fra JAE Electronics. Disse kontaktene har funksjoner som rullede overflatekontakter og to-punkts kontaktstrukturer for å sikre solide mekaniske og elektriske forbindelser, selv under vibrasjoner, støt og ekstreme temperaturer, noe som er typisk for kjøretøykonstruksjoner (figur 1).

Figur 1: MA01-seriekontaktene har en to-punktskontakt som bidrar til å opprettholde elektrisk kontinuitet under slag og vibrasjoner. (Bildekilde: JAE Electronics)

MA01-seriekontaktene tilbys i forskjellige stablingshøyder, mellom 8 og 30 millimeter (mm) (figur 2), og er i stand til å overføre med de 8 Gb/s-hastighetene som kreves av 10 GBASE-T1 og PCIe 3.0. De er også ideelle for konstruksjoner som digitale kort-til-kort-styringsenheter for kjøretøy. Kontaktene krever lav innsettings- og fjerningskraft og inkluderer spor som forhindrer feil sammenkobling. Kontaktene har et bredt driftstemperaturområde fra –40 °C til 125 °C.

Figur 2: MA01-seriekontaktene er tilgjengelige i stablingshøyder fra 8 til 30 mm. (Bildekilde: JAE Electronics)

Ett eksempel fra utvalget er MA01F030VABBR300. Denne kontakten er en kort-til-kort-kontakt for høyhastighets overføring i kjøretøy. Den har 30 posisjoner med en pinneavstand på 0,635 mm i et hus som måler 20,925 x 8,8 x 12,3 mm. Kontaktene er laget av kobberlegering med et lag gullplettering på 0,1 mikrometer (um) (min). Kontaktens elektriske spesifikasjon er en nominell strøm på 0,5 ampere (A) og en nominell spenning på 50 volt AC. Den er konstruert for opptil 100 sammenkoblingssykluser.

MA01F030VABBR300 er konstruert for å sammenkobles med MA01R030VABBR600 for å danne kort-til-kort-tilkoblinger for høyhastighetskonstruksjoner i kjøretøy (figur 3).

Figur 3: MA01F030VABBR300 (nederst) har 30 posisjoner og sammenkobles med MA01R030VABBR600 for å gi en robust og pålitelig kort-til-kort-tilkobling for høye hastigheter. (Bildekilde: JAE Electronics)

Få bukt med monteringsutfordringene

Elektronikkproduksjon med høyt volum krever bruk av robotmonteringsteknologi. De automatiske plasseringsmaskinene som brukes for jobben har imidlertid mekaniske begrensninger. Dette kan resultere i toleranser i komponentposisjoneringen. Selv om små posisjonsfeil er vanlige og ikke noe problem for aktive og passive komponenter, kan de forårsake problemer ved sammenkobling av flerposisjons-kontakter med liten pinneavstand. Problemet er sammensatt fordi en typisk kontakt presenterer ikke en flat overflate for plasseringsmaskinens vakuumdyse for å oppnå godt grep.

Med en typisk pinne-til-pinne-avstand på mindre enn én millimeter, skal det ikke mye feiljustering til før kontakter skades under sammenkobling.

For å få bukt med dette har JAE MA01F030VABBR300 kontaktteknologi med klaring som muliggjør bevegelser på ±0,5 millimeter i både X- og Y-retningen. Denne klaringen korrigerer for posisjonsforskyvninger eller feiljustering som har skjedd under monteringen utført av automatiserte maskiner. Kontaktene leveres med en avtakbar hette som gir sikkert grep for plasseringsmaskinens vakuumdyser. Hettens funksjon hindrer også at store smussrester kommer inn i sammenkoblingsområdet før kontaktene sammenkobles (figur 4 og 5).

Figur 4: MA01F030VABBR300 er den nederste halvdelen i denne MA01-tilkoblingen, og den har kontaktteknologi som muliggjør bevegelser på ±0,5 mm i X- og Y-retningen. Dette bidrar til å korrigere for posisjonsforskyvninger eller feiljustering under monteringen. (Bildekilde: JAE Electronics)

Figur 5: MA01-serien leveres med en avtakbar hette som gjør det mulig for plasseringsmaskinens vakuumdyse å oppnå godt grep. (Bildekilde: JAE Electronics)

Hunn-siden på kort-til-kort-kontakten, MA01R030VABBR600, er en stiv kontakt, fordi det er bare den ene siden av tilkoblingen som trenger å ha klaring for å imøtekomme posisjonstoleranser under plassering.

En annen funksjon ved MA01-seriekontakten som gjør monteringsprosessen enklere, er den oversiktlige visningen av loddeforbindelsene hvor kontakten møter kretskortet. Konvensjonelle kontakter skjuler vanligvis disse loddeforbindelsene, noe som gjør inspeksjonen vanskelig og kan føre til driftsfeil (figur 6).

Figur 6: En sidemontert kontakt fra MA01-serien viser hvordan konstruksjonen gjør det enkelt å inspisere kvaliteten til loddeforbindelsene der kontakten er festet til kretskortet. (Bildekilde: JAE Electronics)

Sikre problemfri sammenkobling

MA01-seriens kontaktteknologi med klaring er nyttig når posisjonsfeil skal kompenseres for under plassering, men større posisjonsforskyvninger kan oppstå når kontakten kobles sammen manuelt. Slik posisjonsforskyvning kan ofte forekomme når de øvre og nedre kretskortene som holder de to halvdelene av kontakten sammen kobles sammen «blindt», noe som gjør det altfor enkelt å feilstille de delikate kontaktene. Enda verre er at kontakten kan føles som om den har blitt sammenkoblet på riktig måte, selv om kontaktene har blitt skadet under prosessen. Slik forskyvning kan forekomme i både X- og Y-horisontalretningen.

JAE-kontaktene inkluderer føringspinner som forhindrer feiltilkobling, selv om kontaktene er svært forskjøvet i én eller begge X- og Y-retningene under sammenkoblingsprosessen. Føringspinnen er støpt inn i kontakthuset og fører kontaktens to halvdeler til riktig inngrepsposisjon (figur 7, 8 og 9).

Figur 7: Når den er forskjøvet i X-retningen, leder føringspinnen på MA01-serien den øvre halvdelen av kontakten til en vertikal orientering. (Bildekilde: JAE Electronics)

Figur 8: Føringspinnene forhindrer overdreven forskyvning i Y-retningen, som ellers ville skadet kontaktene. (Bildekilde: JAE Electronics)

Figur 9: Når to kort bringes sammen for blind kontaktinnføring kompenserer føringspinnene for opptil 1 mm horisontal forskyvning. (Bildekilde: JAE Electronics)

Når kontaktene er sammenkoblet, gjør kontaktfunksjonen med klaring det mulig å absorbere støt og vibrasjoner, som er vanlig for konstruksjoner i kjøretøy, uten at det er noen risiko for kontaktskader.

Utvelgelse av høyhastighetskontakter

Det er utfordrende å utvikle kommunikasjonssystemer med høy hastighet. Selv før konstruktøren begynner å vurdere signalintegriteten til en gitt kontakt, må layouten til det tilknyttede kretskortet ta hensyn til faktorer som målimpedanser og ruting av de høyhastighets differensialsignalkanalene for å begrense krysstale og tap. Men, forutsatt at konstruktøren har tatt hensyn til disse og andre viktige konstruksjonsfaktorer, kan kontakten spille en viktig rolle for den endelige båndbredden, den rå datagjennomstrømningen og signalintegriteten til systemet.

Det første som må sjekkes når en høyhastighetskontakt skal velges, er den maksimale båndbredden til den ønskede kommunikasjonsprotokollen. Det er ikke mye poeng i å utvikle et system som kan fungere med høy hastighet hvis kontakten ikke er i stand til å håndtere protokollens driftsfrekvens. En enkel måte å gjøre dette på er å velge kontakter som er sertifisert i henhold til den aktuelle protokollens standard. På denne måten kan konstruktøren være trygg på at kontakten er spesialkonstruert for å sikre maksimal gjennomstrømning og båndbredde.

En kompatibel kontakt vil også ha målimpedansen for den aktuelle høyhastighetsprotokollen (vanligvis 50 ohm (Ω)). Andre utvelgingsfaktorer, for eksempel materialet som kontakten er laget av, kortmonteringstypen og de fysiske målene, er viktige, men har mindre innvirkning på signalintegriteten.

Selv om samsvarssertifisering vil gi konstruktøren trygghet på at kontakten kan gjøre jobben, er det viktig å teste den utvalgte kontakten på et testkretskort med lignende eller identisk layout som det endelige produktet. Databladet eller testingen av kontakten i isolasjon kan ikke vise signalintegritetsproblemer som kan forekomme under virkelig bruk. Testing på en prototypesammenstilling vil gi en klar indikasjon på signalrefleksjon og/eller forvrengningsproblemer.

De viktigste målingene for å fastsette signalintegriteten til kontakten, er S-parametrene og øyediagrammet. S-parametrene indikerer signalretur og innsettingstap i frekvensdomenet. De bør måles for arbeidskretsen med kontakten på plass, og deretter sammenlignes med resultatene hvor kontakten er fjernet for å evaluere innvirkningen de har på signalintegriteten.

Et oscilloskop-generert øyediagram er en visualisering av kretsens ytelse i det digitale domenet. Dette er standardmetoden for å visualisere tap, krysstale, intersymbol-interferens (ISI) og bitfeilhyppighet. Igjen må testene utføres med og uten kontakten for å fastslå innvirkningen den har på signalintegriteten.

Konklusjon

Det er utfordrende for konstruktører å måtte oppfylle de krevende fysiske og elektriske ytelseskravene til kort-til-kort-kontakter i kjøretøy, samtidig som de må unngå kontaktskader på grunn av svak posisjonering og forskyvningstoleranse under automatisert montering med høy hastighet. Konstruktører kan få bukt med utfordringene ved å bruke MA01-seriekontaktene fra JAE Electronics.

Som vist er MA01-kontaktene kompatible med kommunikasjonsprotokoller på flere gigabit, og de tilbyr en robust og pålitelig løsning som gir innsetting og frakobling med lav motstandskraft. Dessuten er kontaktene konstruert med tanke på rask montering. Fjerningshetter, kontakter med klaring og føringspinner gir større toleranser ved kortmontering og blinde kort-til-kort-tilkoblinger, uten at det er noen risiko for forskyvning eller skade på kontakter.