Ātrums bez riskiem
Lielie dati un citi faktori prasa arvien lielākus datu pārraides ātrumus. Tajā pašā laikā elektroniskajām detaļām ir jābūt ne tikai arvien ātrākām un viedākām, bet arī arvien mazākām. Tas rada īpašus riskus datu pārraides jomā un līdz ar to arī jaunus izaicinājumus savienojumu tehnoloģijām. Uz ko jāpievērš uzmanība, izvēloties savienotājus, lai novērstu signāla traucējumus?
Arvien straujākā digitalizācija visās nozarēs, piemēram, rūpnieciskajā lietu internetā, Rūpniecībā 4.0, viedo tīklu un viedo māju jomā, prasa ātrdarbīgu datu pārraidi no sensora līdz mākonim. Taču ne tikai sensoriem, bet arī rūpnieciskajām vadības sistēmām un kameru sistēmām, datu pārraides sistēmām, kā arī serveru lietojumprogrammām ir jāspēj uzticami pārraidīt signālus ar ātrumu 20 Gbit/s un vairāk. Papildus ātrumam IIoT, lielie dati un citi faktori rada vēl vienu tendenci: elektroniskajām sastāvdaļām ir jābūt ne tikai arvien ātrākām un inteliģentākām, bet arī arvien mazākām. Šī progresējošā miniaturizācija apgrūtina izstrādātājiem atbilstību Eiropas direktīvas obligātajiem EMC testiem. Jo elektroniskās komponentes modulī var darboties gan kā traucējumu absorbētājs, gan kā traucējumu avots, un jutīgu komponentu tuvs izvietojums palielina savstarpējās ietekmes risku.
Bordnetz definīcija: decentralizēta, domēnu un zonu arhitektūra
Klasiskā decentralizētā arhitektūra automobiļos sastāv no līdz pat 100 vadības blokiem, katram no kuriem ir piešķirta konkrēta funkcija: dzinēja vadība, gaisa spilvens, ABS/ESP, sēdekļu regulēšana, klimata kontrole utt. Katrs vadības bloks darbojas autonomi un sazinās ar citiem vadības blokiem, izmantojot vārtejas. Pēdējo
desmitgažu laikā decentralizētā arhitektūra ir piedzīvojusi vēsturisku izaugsmi, katrai jaunai funkcijai pievienojot vēl vienu vadības bloku. Tomēr šodien tā sasniedz savas robežas: pieaugošās funkcijas ievērojami palielina uzstādīšanas un vadu izvietošanas izmaksas transportlīdzeklī.
Domēnu arhitektūrā vadības bloki tiek apvienoti dažādās funkcionālās jomās. Katra domēna atbild par noteiktu transportlīdzekļa jomu, piemēram, piedziņu, informācijas un izklaides sistēmu vai drošību. Domēnas augstākā līmeņa vadību veic neatkarīgs augstas veiktspējas dators (HPC). Tas koordinē vadības blokus savā domēnā. Drošības funkcionālajā jomā tie būtu, piemēram, vadības bloki autovadītāja palīdzības sistēmām, ABS/ESP un stūres sistēmām.
Salīdzinājumā ar decentralizēto arhitektūru vadu izvietošanas un uzstādīšanas izmaksas samazinās, jo tiek uzstādīts mazāks vadības bloku skaits. Tādējādi salīdzinājumā ar decentralizēto arhitektūru domēnu arhitektūra var efektīvi veicināt izmaksu un svara samazināšanu. Turklāt papildu funkcijas var vēlāk integrēt ar nelielām pūlēm.
Zonu arhitektūrā strukturēšana notiek nevis pēc domēniem, bet pēc lokālām zonām. Tādējādi, piemēram, vienā automobiļa zonā tiek apvienotas vairākas funkcijas. Tādējādi arī tādas funkcijas kā piedziņa un informācijas un izklaides sistēma var tikt apvienotas un apstrādātas vienā zonas kontrolierī. Dažādu zonas kontrolieru augstākā līmeņa vadība tiek veikta ar centrālo HPC. Priekšrocība ir acīmredzama: vadības bloku skaita un to vadu skaita samazinājums līdz pat 50 procentiem.
desmitgažu laikā decentralizētā arhitektūra ir piedzīvojusi vēsturisku izaugsmi, katrai jaunai funkcijai pievienojot vēl vienu vadības bloku. Tomēr šodien tā sasniedz savas robežas: pieaugošās funkcijas ievērojami palielina uzstādīšanas un vadu izvietošanas izmaksas transportlīdzeklī.
Domēnu arhitektūrā vadības bloki tiek apvienoti dažādās funkcionālās jomās. Katra domēna atbild par noteiktu transportlīdzekļa jomu, piemēram, piedziņu, informācijas un izklaides sistēmu vai drošību. Domēnas augstākā līmeņa vadību veic neatkarīgs augstas veiktspējas dators (HPC). Tas koordinē vadības blokus savā domēnā. Drošības funkcionālajā jomā tie būtu, piemēram, vadības bloki autovadītāja palīdzības sistēmām, ABS/ESP un stūres sistēmām.
Salīdzinājumā ar decentralizēto arhitektūru vadu izvietošanas un uzstādīšanas izmaksas samazinās, jo tiek uzstādīts mazāks vadības bloku skaits. Tādējādi salīdzinājumā ar decentralizēto arhitektūru domēnu arhitektūra var efektīvi veicināt izmaksu un svara samazināšanu. Turklāt papildu funkcijas var vēlāk integrēt ar nelielām pūlēm.
Zonu arhitektūrā strukturēšana notiek nevis pēc domēniem, bet pēc lokālām zonām. Tādējādi, piemēram, vienā automobiļa zonā tiek apvienotas vairākas funkcijas. Tādējādi arī tādas funkcijas kā piedziņa un informācijas un izklaides sistēma var tikt apvienotas un apstrādātas vienā zonas kontrolierī. Dažādu zonas kontrolieru augstākā līmeņa vadība tiek veikta ar centrālo HPC. Priekšrocība ir acīmredzama: vadības bloku skaita un to vadu skaita samazinājums līdz pat 50 procentiem.
Prasības pret HPC un tā savienotājiem
Tādējādi HPC tiek izvirzītas augstas prasības: ne mazāk svarīga ir attēlveidošanas datu apstrāde informācijas un izklaides sistēmās vai kameru sistēmās autonomajai braukšanai, kas prasa drošu ātrdarbīgu datu pārraidi ar īsu kavēšanos. Vienlaikus nekādos apstākļos nedrīkst notikt signāla pārraides pārtraukums – tās uzticamībai jābūt nodrošinātai jebkurā brīdī.
Tādējādi augsta veiktspēja, ātra un, galvenais, uzticama datu pārraide – dažkārt nelabvēlīgos vides apstākļos – ir prasības, kas tiek izvirzītas arī iebūvētajiem savienotājiem.
Signāla „lasāmību” var ilustrēt ar tā saukto acu diagrammu. Tā norāda, vai pārraidītais signāls uztvērējā var tikt nepārprotami attiecināts uz digitālo stāvokli 1 vai 0.
Šim nolūkam signāls iet cauri definētam pārraides ceļam, kur to uztver osciloskops, pārklāj un attēlo. Tādējādi var attēlot visus iespējamos signāla gaita „viens virs otra”. Teorētiski loģisko stāvokļu pārejas ir bezgalīgi stāvas, un signāla līnijas precīzi sakrīt viena ar otru. Ārējo traucējumu faktoru un signāla pāru iekšējo traucējumu dēļ signāla pieaugums izlīdzinās, un amplitūdas augstums mainās. Tādējādi rodas forma, kas devusi nosaukumu šim diagrammas veidam – acs.
Tādējādi augsta veiktspēja, ātra un, galvenais, uzticama datu pārraide – dažkārt nelabvēlīgos vides apstākļos – ir prasības, kas tiek izvirzītas arī iebūvētajiem savienotājiem.
Signāla „lasāmību” var ilustrēt ar tā saukto acu diagrammu. Tā norāda, vai pārraidītais signāls uztvērējā var tikt nepārprotami attiecināts uz digitālo stāvokli 1 vai 0.
Šim nolūkam signāls iet cauri definētam pārraides ceļam, kur to uztver osciloskops, pārklāj un attēlo. Tādējādi var attēlot visus iespējamos signāla gaita „viens virs otra”. Teorētiski loģisko stāvokļu pārejas ir bezgalīgi stāvas, un signāla līnijas precīzi sakrīt viena ar otru. Ārējo traucējumu faktoru un signāla pāru iekšējo traucējumu dēļ signāla pieaugums izlīdzinās, un amplitūdas augstums mainās. Tādējādi rodas forma, kas devusi nosaukumu šim diagrammas veidam – acs.
Diagrammas vidū redzama tā saucamā „Eye Mask“. Šajā zonā nav iespējams viennozīmīgi identificēt signālu.
Abi acu diagrammas parāda vadu garuma un impedances ietekmi, izmantojot ept Colibri savienotāju piemērus 16 + Gbit/s un 10 Gbit/s versijās. Šis piemērs ilustrē, kā, pilnveidojot kontaktu dizainu, varēja panākt ievērojamu signāla integritātes uzlabojumu (sk. att. XX). Pateicoties īsākam vadu garumam un 100 Ω pretestībai, Colibri 16+ Gbit/s varianta acs var izveidoties skaidrāk nekā iepriekšējā Colibri 10 Gbit/s variantā – signālu pāri ir nepārprotami interpretējami.
Abi acu diagrammas parāda vadu garuma un impedances ietekmi, izmantojot ept Colibri savienotāju piemērus 16 + Gbit/s un 10 Gbit/s versijās. Šis piemērs ilustrē, kā, pilnveidojot kontaktu dizainu, varēja panākt ievērojamu signāla integritātes uzlabojumu (sk. att. XX). Pateicoties īsākam vadu garumam un 100 Ω pretestībai, Colibri 16+ Gbit/s varianta acs var izveidoties skaidrāk nekā iepriekšējā Colibri 10 Gbit/s variantā – signālu pāri ir nepārprotami interpretējami.
Tā kā ātrdarbīgi signāli ir īpaši jutīgi pret elektromagnētiskajiem traucējumiem, tiem nepieciešama īpaša signāla aizsardzība. Savienotājs šajā gadījumā var darboties gan kā traucējumu avots, gan kā uztvērējs. Tāpēc ieteicams izmantot signāla aizsardzību ar ekranējošo plāksni, lai pasargātu jutīgos signālus no ārējiem traucējumiem.
No 4. attēla redzams, ka pat neliels elektriskais impulss var izkropļot lietderīgo signālu. Jau pēc īsa 0,5 kV impulsa uztvērējs vairs nevar skaidri interpretēt HDMI signāla digitālos stāvokļus, turpretim ekranētā savienotāja signāla pārraide pat pie 4,4 kV joprojām notiek stabili.
No 4. attēla redzams, ka pat neliels elektriskais impulss var izkropļot lietderīgo signālu. Jau pēc īsa 0,5 kV impulsa uztvērējs vairs nevar skaidri interpretēt HDMI signāla digitālos stāvokļus, turpretim ekranētā savienotāja signāla pārraide pat pie 4,4 kV joprojām notiek stabili.
Izmantojot savienojuma indukcijas pretestību LK kā EMV parametru, savienotāju var aprakstīt, ņemot vērā elektriskos apstākļus abās funkcijās – kā avotā un kā slodzē. Šim nolūkam izmanto vienību henrijs. Tas attiecas gan uz izturību pret traucējumiem, gan uz traucējumu izstarojumu. Ja ir zināms indukcijas spriegums (Uind), ģeneratora spriegums (UGen) un ģeneratora konstante (kGen), konkrētai lietojumam var noteikt attiecīgo maksimāli pieļaujamo savienojuma indukcijas koeficientu (L) pēc šādas formulas:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Savienojuma indukcija palīdz lietotājam arī noteikt piemērotu savienotāju attiecībā uz tā elektromagnētisko saderību un izvairīties no dārgiem un laikietilpīgiem izmēģinājumu un kļūdu testiem EMV laboratorijā. Šeit ir piemērs: HDMI signālam pie sprieguma 4,4 kV tika noteikta konkrētajam gadījumam maksimālā savienojuma indukcija 47 pikohenri (pH). Ja vērtība pārsniedz šo rādītāju, signālu vairs nevar pārraidīt bez traucējumiem.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Savienojuma indukcija palīdz lietotājam arī noteikt piemērotu savienotāju attiecībā uz tā elektromagnētisko saderību un izvairīties no dārgiem un laikietilpīgiem izmēģinājumu un kļūdu testiem EMV laboratorijā. Šeit ir piemērs: HDMI signālam pie sprieguma 4,4 kV tika noteikta konkrētajam gadījumam maksimālā savienojuma indukcija 47 pikohenri (pH). Ja vērtība pārsniedz šo rādītāju, signālu vairs nevar pārraidīt bez traucējumiem.
Tomēr ne tikai elektromagnētiskie faktori apdraud ātrdarbīgo signālu pārraidi. Īpaši automobiļu nozarē savienotāji tiek pakļauti atkārtotiem ekstremāliem vides apstākļiem, piemēram, vibrācijām un triecieniem. Lai signālu pārraide noritētu bez pārtraukumiem arī nelabvēlīgā vidē, savienotājam jābūt īpaši izturīgam. Šajā gadījumā izšķiroša nozīme ir galvenokārt kontaktu dizainam, kontaktu sistēmai un savienojumu tehnoloģijai.
Ietekmējošais faktors – kontaktu sistēma
Klasiskajiem divdaļīgajiem savienotājiem ir asmens kontakts un atsperes kontakts. Tomēr spēcīgas trieciena ietekmes gadījumā asmens sloksne var atdalīties no atsperes sloksnes. Lai novērstu šādu kontaktu pārtraukumu, var izmantot divpusēju atsperes sloksni, kas nodrošina redundanci un tādējādi kontaktu drošību, jo otrā atsperes sloksne jebkurā brīdī nodrošina signāla pārraidi vismaz caur vienu kontaktu (5. att.).
Savukārt savienotāji ar tā saukto „dzimumu neitrālo“ kontaktu sistēmu ir vēl izturīgāki. To īpatnība slēpjas identiskajā kontaktu ģeometrijā savienotāju pāriem – spraudnim un ligzdai. Abiem ir gan atsperes, gan kontakti. Tādējādi katrs kontakts tiek savienots ar divām atsperēm, turklāt spraudnis un ligzda ir savstarpēji savienoti un nevar atdalīties viens no otra. Kamēr divpusēja atsperu sloksne mehāniskas slodzes apstākļos vienmēr nodrošina vismaz vienu kontaktpunktu, savstarpēji savienotās ģeometrijas dzimumu neitrālās kontaktu sistēmās garantē, ka signāla pārraide vienmēr notiek caur diviem kontaktpunktiem. Šī augstā redundance tādējādi nodrošina maksimālu kontaktu drošību (5. att.).
Lai nodrošinātu izturīgu savienojumu starp drukāto plati un savienotāju, ieteicams izmantot virsmas montāžas tehnoloģiju (SMT). Šajā procesā savienotāji tiek pielodēti uz noteiktām drukātās plates savienojuma virsmām, t. i., lodēšanas laukiem, izmantojot lodēšanas pastu. Tikai tā saucamajā reflow krāsnī lodēšanas materiāls tiek izkausēts un pēc tam sacietēts. Izmantojot SMT, var izveidot stabilus savienojumus starp savienotāju un drukāto plati. Tomēr tam ir jāizpilda daži kritēriji: pirmkārt, lai nodrošinātu standartam atbilstošu IPC-A-610 lodēšanas vietu, ir jāievēro pareizais lodēšanas kājiņas, lodēšanas laukuma un lodēšanas pastas attiecība. Tikai tādā veidā tiek izveidots augstas kvalitātes savienojums, kas ļauj veikt savienojumu atbilstoši IPC 3. klasei, tātad ir piemērots izmantošanai augstas veiktspējas elektronikas ierīcēs. Šajā klasē jebkurā brīdī ir jāizslēdz signāla pārraides traucējumi. Optimālu lodējuma savienojumu var atpazīt pēc vienmērīgas meniska veidošanās. Kontaktam visā perimetrā jābūt apņemamam ar lodējuma menisku, lai panāktu labāko saķeri ar plašu (9. att.).
Kontaktu pamatņu koplanaritāte ir priekšnoteikums izcilam savienojumam, un tā tiek pakļauta 100 % automatizētai pārbaudei ražošanas procesa laikā.
Secinājums
Pašreizējās tendences automobiļu nozarē izvirza arvien jaunas prasības iebūvētajiem savienotājiem. Sākotnēji šķiet, ka iebūvēto savienotāju nozīme mazinās, jo samazinās elektronisko vadības bloku skaits. Tomēr, rūpīgāk to izvērtējot, redzams, ka tieši šo pārmaiņu dēļ, kas saistītas ar centrālo datu apstrādi, izmantojot augstas veiktspējas skaitļošanu (HPC), to nozīme kļūst arvien svarīgāka: uzticamība signālu pārraidei nekad agrāk nav bijusi tik svarīga kā šodien.