Bruk skjermede kontakter for å oppnå pålitelig høyhastighetstilkobling i kompakte formfaktorer

Elektrisk skjerming er en konstruksjons- og produksjonsfaktor som har vært på teknikeres liste over bekymringer siden elektronikkens tidlige dager, men dette blir bare mer bekymringsfullt etter hvert som datahastighetene øker og systemene blir mindre og tettere integrert med flere signallinjer i nærheten. Disse trendene kompliserer i stor grad det som ellers er et enkelt konsept: Å hindre eksterne uønskede signaler i å nå og påvirke en leder som bærer et signal, og hindre energien til et ønsket signal i å stråle utover og påvirke nærliggende ledere og kretser.

For å være effektiv må skjermingen fullstendig omgi de aktive lederne og danne en 360-graders ledende barriere langs hele banen, inkludert termineringskontaktene. For å oppnå dette antar mange konstruktører at de må bruke koaksialkabler og -kontakter, ettersom den interne kabelskjermingen kan termineres samtidig som integriteten til den 360-graders skjermingen beholdes. Den resulterende kanaltettheten er imidlertid lav når koaksialkabler brukes, så denne tilnærmingen er derfor ikke egnet for å oppfylle de elektriske og fysiske kravene med høy hastighet og tetthet som mange kort-til-kort- og kort-til-bakplan-forbindelser krever. Løsningen er å velge fullt skjermede forbindelser for høye hastigheter. Disse støtter høye signalbaneantall i et enkelt, fullstendig skjermet kontakthus.

Denne artikkelen tar kort for seg grunnleggende skjerming og utfordringene som konstruktører står overfor når de skal implementere forbindelser med høyt kanalantall og skjerming, der flere koaksialkabler med enkeltkanaler vil ha overdreven aggregatstørrelse og bulk. Den viser hvorfor altomfattende 360-graders skjerming er spesielt viktig, og bruker flere familier med skjermede kontakter fra Samtec til å illustrere beste fremgangsmåte for konstruksjon og implementering for høyhastighets signalintegritet i trange områder.

Begynn med det grunnleggende om skjerming

Kabler og tilknyttede forbindelser (kontakter) er en viktig del av nesten alle systemer. De kan koble et hovedkort til et tilleggskort (mezzanine board), et kort til et brukerpanel, et spesialisert grensesnitt eller en inngang/utgang-sammenstilling (I/O-sammenstilling). For å opprettholde signalintegritet må forbindelsen støtte båndbredden til signalet/signalene og også være motstandsdyktig mot elektromagnetisk interferens/radiofrekvensinterferens (EMI/RFI). Samtidig må den heller ikke tillate stråling av EMI/RFI til tilstøtende forbindelser, tavler eller komponenter, spesielt de som formidler signaler på lavt nivå eller sensitive signaler.

Skjerming demper virkningen av elektromagnetisk interferens og radiofrekvensinterferens. Avhengig av hvor og hvordan den er plassert, kan den hovedsakelig dempe støyen nær kilden (noen ganger kalt «støy-aggressoren») eller blokkere den fra å nå støyfølsomme kretser («offeret») (figur 1).

Figur 1: Skjerming fungerer som en barriere mellom en aggressorkilde og et utilsiktet, uskyldig offer for dens EMI og RFI. (Bildekilde: Journal of Computer Science and Engineering via Arvix)

Vær oppmerksom på at en gitt leder kan være både en aggressor, som sender ut en «klynge» med EMI/RFI-energi, og et offer for energi fra en annen kilde. Videre trenger ikke EMI/RFI-aggressoren å være en ekstern «tredjeparts-kilde» som ikke er relatert til produktet. Det kan like gjerne være en annen del av systemet som fungerer som en utilsiktet aggressor ved å utstråle energi til en tilstøtende leder eller komponent.

Det er mange retningslinjer og såkalte «tommelfingerregler» for hvordan og hvor jordskjermingen skal termineres til disse kablene og forbindelsene for å blokkere eller kraftig dempe overføringen av støyenergi mellom aggressoren og offeret. Dessverre er disse retningslinjene ofte i konflikt, og det riktige eller beste svaret ser ofte ut til å avhenge av spesifikasjonene til sammenstillingen. Noen av de foreslåtte retningslinjene er:

• Terminere (jord) begge endene på skjermingen.
• Terminere kun den ene enden, ved kilden.
• Terminere kun den ene enden, ved mottakeren.

Intuitivt kan det kanskje virke som at ikke alle alternativene kan være riktige, eller kanskje de kan, avhengig av konstruksjonens spesifikasjoner og hvor mye demping som trengs. Omfattende laboratorietester har vist at for å oppnå effektiv skjerming inn i gigahertz-området (GHz), må begge endene til skjermingen termineres. Skjermingen må med andre ord være kontinuerlig og uavbrutt.

Reglene er noe mer fleksible ved lydfrekvenser og lavere RF-frekvenser. Terminering av skjermingen i bare den ene enden kan imidlertid være akseptabelt for konstruksjoner på opptil ca. 1 megahertz (MHz), men er ikke gunstig for 10 sekunder i MHz-området og høyere.

Full skjerming er nødvendig

Detaljerte testresultater viste også hvordan den mye brukte korte tilkoblingskabel-termineringen (pigtail-terminering) for skjermingen ofte var ineffektiv (figur 2). Selv om den bare er noen få millimeter (mm) lang, kan den lave induktansen skade ytelsen ved høyere frekvenser, og dermed oppheve mye av skjermingens ytelse. Det som er enda verre er at den harmløse tilkoblingskabel-terminalen faktisk kan virke mot sin hensikt ved å fungere som en radiator for elektromagnetisk energi (en antenne), som utstråler mer EMI/RFI i stedet for å bare være ineffektiv ved å dempe den.

Figur 2: Den såkalt harmløse skjermingstermineringen med tilkoblingskabel på denne HDMI-kabelen er ikke bare ineffektiv, men kan også virke mot sin hensikt ved å fungere som en elektromagnetisk radiator. (Bildekilde: Dana Bergey og Nathan Altland, via Interference Technology)

I stedet trengs en 360-graders fysisk dekning ved skjermingstermineringen, som er det som kreves i de fleste standarder for høy ytelse og militæret (MIL) (figur 3).

Figur 3: En full 360-graders terminering (øverst) er nødvendig for maksimal skjermingseffektivitet, i stedet for den raske og enkle jordforbindelsen med tilkoblingskabel (nederst). (Bildekilde: ResearchGate)

Behovet for terminering i begge ender med 360-graders dekning uten mellomrom (non-gapped) skyldes fysikk: Etter hvert som driftsfrekvensene øker til hundrevis av MHz og GHz, blir de korresponderende bølgelengdene kortere. Dette betyr at selv små hull i skjermingens dekningsområde representerer et bokstavelig mulighetsvindu for signalenergi å passere gjennom med liten eller ingen demping.

I tillegg til høyere frekvenser, er dagens systemer tettpakket. Det betyr at alle tap i radiofrekvensens forplantningsbane mellom aggressoren og offeret er langt mindre, ettersom banetapet øker med kvadratet til avstanden. Dermed kan selv en tilsynelatende ubetydelig mengde utilsiktet aggressorsignal nå frem til og påvirke offerets kretser med relativt høy styrke.

Bruken av en skjerming med 360-graders integritet, ofte preget av individuelle koaksialkabler og -kontakter, er definitivt effektiv med tanke på EMI/RFI-beskyttelse. Bruken av koaksialkabel forstyrrer imidlertid ofte de høye fysiske tetthetsbehovene til mange systemer.

Videre trenger mange systemer med høy ytelse skjerming over flere parallelle signallinjer, som vist i to grunnleggende scenarier:

• For kort-til-kort-forbindelser, for eksempel mellom et hovedkort og et tilleggskort, med en enkel skjerming rundt de flertallige linjene

• Flere skjermede koaksialkabler i én kabelmodul, med én kontakt for tilkobling

Enkel skjerming for kort-til-kort-konstruksjoner

Konseptet med å bruke en enkel skjerming for flere signallinjer er i prinsippet enkelt. De flertallige linjene er omsluttet av en skjerming som er brettet over endehylsen, og som kommer i kontakt med kontaktkappen (figur 4).

Figur 4: Ved å vikle skjermingen rundt gruppen av signalledere, skjermes de flertallige linjene som en gruppe. (Bildekilde: Samtec)

Denne tilnærmingen løser skjermingsproblemet og krever minimalt med ekstra kortplass sammenlignet med en uskjermet forbindelse. Det er viktig at den skjermede flerlinjekontakten gir samme grunnleggende signallinjeytelse som en uskjermet kontakt, samtidig som den sikrer pålitelig og konsekvent til- og frakobling uten at det går på bekostning av skjermingen.

Et eksempel på denne skjermede flerlinjeforbindelsen er et 20-posisjons kort-til-kort-skjermet kontaktpar, Samtec sin ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR-stiftlist (header) og ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR-sokkel (figur 5). Disse robuste kontaktlistene for høye hastigheter er konstruert for konstruksjoner med høye hastigheter (NRZ-koding for 28 Gb/s og firenivåers pulsamplitudemodulasjon (PAM4) ved 56 Gb/s) og høye sykluser.

Figur 5: Den 20-posisjons ERM8-stiftlisten (venstre) og den tilknyttede ERF8-kontakten (høyre) gir skjermet kort-til-kort-konnektivitet. (Bildekilde: Samtec)

Kontaktene gir opptil 1,5 mm kontaktsleping, robust beslag, låsing, 360-graders skjerming og er robuste når de dras til siden med en unormal kraft (zippered) ved frakobling. Høyhastighetsytelsen muliggjøres av Samtec sitt Edge Rate-kontaktsystem, som er konstruert for høyhastighetskonstruksjoner med høye sykluser. Det er optimalisert for signalintegritet gjennom reduksjon i koblingsbredde, og den har en jevn, bred, formet kontaktflate for redusert slitasje (figur 6).

Figur 6: For å redusere signalets koblingsbredde, bruker ERM8 og ERF8 et proprietært Edge Rate-kontaktsystem. (Bildekilde: Samtec)

De brede kontaktene skaper et jevnt kontaktflateområde, i motsetning til en stemplet kontakt som sammenkobles på en skjærekant. Denne jevne kontaktflaten reduserer slitasjen på kontakten, noe som øker holdbarheten og sykluslevetiden til kontaktsystemet. Den reduserer også innsettings- og uttrekkingskraften.

Koaksialkabler er også nødvendig

Koaksialkabler har en viktig og uerstattelig rolle innen signaloverføring, men bruken av forbindelser som bare støtter én koaksialkabel kan være frustrerende når det er behov for flere parallelle signaler. For å løse denne situasjonen tilbyr Samtec en familie med flerpolige koaksialkabelkontakter med skjerming som støtter 20, 30, 40 og 50 posisjoner. Blant disse er LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, en 20-posisjons, selvjusterende, hermafrodittisk kobling for overflatemontering (figur 7)

Figur 7: LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR er en 20-posisjons, selvmatchende, hermafrodittisk overflatemontering med kontakt for med opptil 50 posisjoner. (Bildekilde: Samtec)

LSHM er en robust kontakt med høy tetthet for bruk i kort-til-kort- og kort-til-kabel-konstruksjoner, med valgfri skjerming for EMI-beskyttelse. Razor Beam-kontaktsystemet har tett pinneavstand, og med den tvekjønnede konstruksjonen sparer de plass på kretskortet i X-, Y- og Z-aksene. Denne kontakten har en pinneavstand på 0,50 mm og gir et hørbart klikk under sammenkobling, der tilkoblings- og frakoblingskreftene er omtrent fire til seks ganger større enn vanlige kontakter med mikro-pinneavstand.

Denne kortmonterte kontakten er bare halvparten av historien om forbindelser, fordi en kabelmodul er også nødvendig (figur 8). Denne enheten bruker også Razor Beam-teknologi med en pinneavstand på 0,50 mm.

Figur 8: Razor Beam, en selvparende koaksialkabelmodul med liten pinneavstand, gir en komplett kort-til-kabel-løsning for flere linjer. (Bildekilde: Samtec)

En komplementær kabelmodul for den siterte 20-posisjons, kortmonterte, skjermede koaksialkontakten for flere linjer, er HLCD-10-40.00-TD-TH-1, en én meter lang kabel med en selvparende, ikke-kjønnet, tvekjønnet kontakt i hver ende (Figur 9). Den bruker en mikro-koaksialkabel på 0,032 mm2 (38 AWG) med en impedans på 50 ohm (Ω), og den er klassifisert til 14 Gb/s per kontakt.

Figur 9: Mikrokoaksialkabelmoduler på 50 Ω med flere linjer, for eksempel den 20-posisjons HLCD-10-40.00-TD-TH-1, inkluderer en selvparende, ikke-kjønnet, tvekjønnet kontakt i hver ende. (Bildekilde: Samtec)

Bitene faller på plass

For å gjøre disse høyhastighetskontaktene enklere å spesifisere og bruke, har Samtec utvidet konseptet til produsentens kretskortlayout og SPICE-kontaktmodeller ved å tilby referansekonstruksjoner for et av de vanskeligste konstruksjonsproblemene på kortet: Den kritiske «BOR» (break out region) rundt høyhastighetskontakten. Samtec sine signalintegrasjonsteknikere har utviklet det de kaller en «Final Inch Break Out Region» med anbefalinger relatert til plassering av kretskortspor for mange av seriene med høyhastighetskontakter.

Disse konstruksjonsanbefalingene er basert på bruk med standard kortmaterialer, flere lag og produksjonsprosesser med lave kostnader og høy kapasitet, og krever ingen spesiell behandling. Disse anbefalingene kan spare tid og ressurser ved konstruksjon, utvikling og validering, samt balansere ytelse med produserbarhet og kostnader.

Konklusjon

Komplett elektrisk skjerming av kabler, kontakter og forbindelser er avgjørende for signalintegritet og -ytelse for både kort-til-kort- og kort-til-kabel-konfigurasjoner. Skjermingsproblemet er mer utfordrende når det er flere parallelle signaler som må skjermes for å forhindre EMI/RFI-utslipp eller susceptibilitet for disse utslippene. Som vist, tilbyr Samtec ulike familier av kort-til-kort- og koaksialkabel-til-kort-forbindelser for flere linjer for å forenkle konstruksjon og produksjon, samtidig som dette opprettholder et høyt nivå av mekanisk og elektrisk integritet og ytelse.