Ātrums bez riskiem
„Big Data“ un tamlīdzīgas tehnoloģijas prasa arvien augstākus datu pārraides ātrumus. Vienlaikus elektroniskajām detaļām ir jābūt ne tikai arvien ātrākām un inteliģentākām, bet arī arvien mazākām. Tas rada īpašus riskus datu pārraides jomā un līdz ar to arī jaunus izaicinājumus savienojumu tehnoloģijai. Uz ko jums jāpievērš uzmanība, izvēloties savienotāju (savienotājs), lai novērstu signāla traucējumus?
Progresējošā digitalizācija visās nozarēs, piemēram, rūpnieciskajā lietu internetā (Industrial Internet of Things), Rūpniecībā 4.0, viedajos tīklos (Smart Grid) un viedajās mājās (Smart Home), prasa ātrdarbīgu datu pārraidi no sensora līdz mākonim. Taču ne tikai sensoriem, bet arī rūpnieciskajām vadības sistēmām un kameru sistēmām, datu pārraides sistēmām (Datacom) un serveru lietojumprogrammām ir spēkā šāds princips: signāliem ir jābūt uzticami pārraidītiem 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 nepārtrauktā miniaturizācija apgrūtina izstrādātājiem atbilstību Eiropas direktīvas obligātajiem EMS testiem. Jo elektroniskās sastāvdaļas vienā moduļā var darboties gan kā traucējumu absorbētāji, gan kā traucējumu avoti, un jutīgu komponentu novietošana tuvu viena otrai palielina savstarpējās ietekmes risku.
borta elektrotīkls definīcija: decentralizēta, domēnu un zonu arhitektūra
Klasiskā decentralizētā arhitektūra automobiļos sastāv no līdz pat 100 vadības blokiem (vadības bloks), katram no kuriem ir piešķirta noteikta funkcija: dzinēja vadība, gaisa spilvens, ABS / ESP, sēdekļu regulēšana, klimata kontrole, … Katrs vadības bloks darbojas autonomi un sazinās ar citiem vadības blokiem, izmantojot vārtejas (Gateways).
Pēdējo desmitgažu laikā decentralizētā arhitektūra ir piedzīvojusi vēsturisku izaugsmi, katra jauna funkcionalitāte tika papildināta ar vēl vienu vadības bloku (vadības bloks). Tomēr šodien tā sasniedz savas robežas: pieaugošās funkcionalitātes ievērojami palielina uzstādīšanas un vadu izvietošanas izmaksas transportlīdzeklī.
Domēnu arhitektūrā vadības bloki tiek apvienoti dažādās funkcionālajās jomās. Katra domēna atbild par konkrētu transportlīdzekļa jomu, piemēram, piedziņu, informācijas un izklaides sistēmu vai drošību. Domēnas augstākā līmeņa vadību nodrošina atsevišķs augstas veiktspējas dators (HPC). Tas koordinē vadības blokus savā domēnā. Drošības funkcionālajā jomā tie, piemēram, būtu vadības bloki autovadītāja palīdzības sistēmām, ABS/ESP un stūres sistēmām.
Salīdzinājumā ar decentralizēto arhitektūru, pateicoties mazākam iebūvēto vadības bloku skaitam, samazinās vadu izvietošanas un uzstādīšanas izmaksas. Tādējādi domēnu arhitektūra, salīdzinot ar decentralizēto arhitektūru, var efektīvi veicināt izmaksu un svara samazināšanu. Turklāt papildu funkcijas var viegli integrēt vēlāk.
Zonu arhitektūrā (zonālā arhitektūra) strukturēšana notiek nevis pēc domēniem, bet gan pēc lokālām zonām. 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 (zonas kontrolleris). Dažādo zonas kontrolieru augstākā līmeņa vadību nodrošina centrālais HPC. Priekšrocība ir acīmredzama: vadības bloku skaita un to vadu skaita samazinājums līdz pat 50 procentiem.
Pēdējo desmitgažu laikā decentralizētā arhitektūra ir piedzīvojusi vēsturisku izaugsmi, katra jauna funkcionalitāte tika papildināta ar vēl vienu vadības bloku (vadības bloks). Tomēr šodien tā sasniedz savas robežas: pieaugošās funkcionalitātes ievērojami palielina uzstādīšanas un vadu izvietošanas izmaksas transportlīdzeklī.
Domēnu arhitektūrā vadības bloki tiek apvienoti dažādās funkcionālajās jomās. Katra domēna atbild par konkrētu transportlīdzekļa jomu, piemēram, piedziņu, informācijas un izklaides sistēmu vai drošību. Domēnas augstākā līmeņa vadību nodrošina atsevišķs augstas veiktspējas dators (HPC). Tas koordinē vadības blokus savā domēnā. Drošības funkcionālajā jomā tie, piemēram, būtu vadības bloki autovadītāja palīdzības sistēmām, ABS/ESP un stūres sistēmām.
Salīdzinājumā ar decentralizēto arhitektūru, pateicoties mazākam iebūvēto vadības bloku skaitam, samazinās vadu izvietošanas un uzstādīšanas izmaksas. Tādējādi domēnu arhitektūra, salīdzinot ar decentralizēto arhitektūru, var efektīvi veicināt izmaksu un svara samazināšanu. Turklāt papildu funkcijas var viegli integrēt vēlāk.
Zonu arhitektūrā (zonālā arhitektūra) strukturēšana notiek nevis pēc domēniem, bet gan pēc lokālām zonām. 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 (zonas kontrolleris). Dažādo zonas kontrolieru augstākā līmeņa vadību nodrošina centrālais HPC. Priekšrocība ir acīmredzama: vadības bloku skaita un to vadu skaita samazinājums līdz pat 50 procentiem.
Prasības pret HPC un tā savienotājiem (savienotājs)
No tā izriet lielas prasības pret HPC: ne mazāk svarīgi ir attēlveidošanas datu apstrāde informācijas un izklaides sistēmās vai kameru sistēmās autonomajai braukšanai, kas prasa drošu ātrdarbīgu datu pārraidi ar īsu kavēšanos. Tajā pašā laikā 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 (savienotājs).
Signāla „nolasāmību“ var ilustrēt, izmantojot tā saucamo acs diagrammu. Tā norāda, vai pārraidītais signāls uztvērējā var tikt nepārprotami attiecināts uz digitālajiem stāvokļiem 1 vai 0.
Šim nolūkam signāls šķērso definētu pārraides ceļu, kurā tas tiek reģistrēts ar osciloskopu, pārklāts un attēlots. Tādējādi visus iespējamos signāla gaita var attēlot „viens virs otra“. Teorētiski loģisko stāvokļu pārejas ir bezgalīgi stāvas, un signāla līnijas precīzi sakrīt viena virs otras. Ārējo traucējumu faktoru un signālu pāru iekšējo traucējumu dēļ signāla pieaugums izlīdzinās, un amplitūdas augstums mainās. Tādējādi veidojas forma, kas atgādina aci un kurai šī diagramma ir ieguvusi savu nosaukumu.
Tādējādi augsta veiktspēja, ātra un, galvenais, uzticama datu pārraide – dažkārt nelabvēlīgos vides apstākļos – ir prasības, kas tiek izvirzītas arī iebūvētajiem savienotājiem (savienotājs).
Signāla „nolasāmību“ var ilustrēt, izmantojot tā saucamo acs diagrammu. Tā norāda, vai pārraidītais signāls uztvērējā var tikt nepārprotami attiecināts uz digitālajiem stāvokļiem 1 vai 0.
Šim nolūkam signāls šķērso definētu pārraides ceļu, kurā tas tiek reģistrēts ar osciloskopu, pārklāts un attēlots. Tādējādi visus iespējamos signāla gaita var attēlot „viens virs otra“. Teorētiski loģisko stāvokļu pārejas ir bezgalīgi stāvas, un signāla līnijas precīzi sakrīt viena virs otras. Ārējo traucējumu faktoru un signālu pāru iekšējo traucējumu dēļ signāla pieaugums izlīdzinās, un amplitūdas augstums mainās. Tādējādi veidojas forma, kas atgādina aci un kurai šī diagramma ir ieguvusi savu nosaukumu.
Diagrammas vidū var saskatīt tā saukto „Eye Mask”. Šajā zonā nav iespējams viennozīmīgi identificēt signālu.
Acs diagrammas parāda vadu garuma un impedances ietekmi, izmantojot ept Colibri savienotāju (Colibri-savienotājs) piemērus 16 + Gbit/s un 10 Gbit/s versijās. Šis piemērs ilustrē, kā, pilnveidojot kontaktu dizainu, izdevās ievērojami uzlabot signāla integritāte (sk. att. XX). Pateicoties īsākam vadu garumam un 100 Ω impedanci, 16+ Gbit/s Colibri varianta „acs” veidojas skaidrāk nekā iepriekšējai 10 Gbit/s Colibri versijai – signālu pārus var nepārprotami interpretēt.
Acs diagrammas parāda vadu garuma un impedances ietekmi, izmantojot ept Colibri savienotāju (Colibri-savienotājs) piemērus 16 + Gbit/s un 10 Gbit/s versijās. Šis piemērs ilustrē, kā, pilnveidojot kontaktu dizainu, izdevās ievērojami uzlabot signāla integritāte (sk. att. XX). Pateicoties īsākam vadu garumam un 100 Ω impedanci, 16+ Gbit/s Colibri varianta „acs” veidojas skaidrāk nekā iepriekšējai 10 Gbit/s Colibri versijai – signālu pārus var nepārprotami interpretēt.
Tā kā ātrdarbīgi signāli ir īpaši jutīgi pret elektromagnētiskajiem traucējumiem, tiem nepieciešama īpaša signāla aizsardzība. Savienotājs (savienotājs) šajā gadījumā var darboties gan kā traucējumu avots, gan kā uztvērējs. Šā iemesla dēļ ieteicams izmantot signāla aizsardzību ar ekranējošo plāksni (ekranējuma plāksne), 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 nespēj viennozīmīgi 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 nespēj viennozīmīgi interpretēt HDMI signāla digitālos stāvokļus, turpretim ekranētā savienotāja signāla pārraide pat pie 4,4 kV joprojām notiek stabili.
Izmantojot savienojuma indukcijas koeficientu (savstarpējā induktivitāte) LK kā EMS parametru, savienotāju var aprakstīt, ņemot vērā elektriskos apstākļus abās funkcijās – kā avotā un kā slazdā. Šim nolūkam tiek izmantota vienība „henrijs”. Tas attiecas gan uz noturība pret traucējumiem, gan uz elektromagnētiskā emisija. Ja ir zināms induktais spriegums (Uind), ģeneratora spriegums (UGen) un ģeneratora konstante (kGen), konkrētai lietošanai var noteikt attiecīgo maksimāli pieļaujamo savstarpējā induktivitāte (L) pēc šādas formulas:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Savienojuma indukcija (savstarpējā induktivitāte) palīdz lietotājam arī noteikt piemērotu savienotāju (savienotājs) attiecībā uz tā elektromagnētisko savietojamību un izvairīties no izmaksu un laika ziņā ietilpīgiem „mēģinājumu un kļūdu” testiem EMS-Laborā. Šeit ir piemērs: HDMI signālam pie sprieguma 4,4 kV tika noteikta konkrētajam gadījumam maksimālā savstarpējā induktivitāte 47 pikohenri (pH). Ja šī vērtība pārsniedz minēto, signālu vairs nevar pārraidīt bez traucējumiem.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Savienojuma indukcija (savstarpējā induktivitāte) palīdz lietotājam arī noteikt piemērotu savienotāju (savienotājs) attiecībā uz tā elektromagnētisko savietojamību un izvairīties no izmaksu un laika ziņā ietilpīgiem „mēģinājumu un kļūdu” testiem EMS-Laborā. Šeit ir piemērs: HDMI signālam pie sprieguma 4,4 kV tika noteikta konkrētajam gadījumam maksimālā savstarpējā induktivitāte 47 pikohenri (pH). Ja šī vērtība pārsniedz minēto, signālu vairs nevar pārraidīt bez traucējumiem.
Tomēr ne tikai elektromagnētiskie traucējumi apdraud ātrdarbīgo signālu pārraidi. Jo īpaši automobiļu nozarē savienotāji (savienotājs) atkārtoti tiek pakļauti ekstremāliem vides apstākļiem, piemēram, vibrācijām un triecieniem. Lai signālu pārraide noritētu bez pārtraukumiem arī nelabvēlīgā vidē, savienotājam jābūt īpaši izturīgam. Šajā sakarā izšķirošu lomu spēlē galvenokārt kontaktu dizains, kontaktu sistēma un savienošanas tehnika (pieslēgšanas tehnoloģija).
Ietekmējošais faktors – kontaktu sistēma
Klasiskajiem divdaļīgajiem savienotājiem (savienotājs) ir „Messer”- un „ligzdas kontakts” kontakti. Tomēr spēcīgas trieciena ietekmes gadījumā „tapu savienotājs” var atdalīties no „ligzdu savienotājs”. Lai novērstu šādu kontakta pārtraukumu (kontakta pārtraukums), var izmantot divpusēju „ligzdu savienotājs”, kas nodrošina redundanci un tādējādi kontakta drošību, jo, pateicoties otrajai atsperes daļai, signāla pārraide jebkurā brīdī tiek nodrošināta vismaz caur vienu kontaktpunktu (5. att.).
Savukārt vēl izturīgāki ir savienotāji (savienotājs) ar tā saukto „hermafrodītisko“ kontaktu sistēmu. To īpatnība slēpjas identiskajā kontaktu ģeometrijā savienotāju pāriem — spraudnim (Plug) un ligzdai (Socket). Abiem ir gan atsperes, gan kontaktasmeņi. Tādējādi katrs kontakts tiek savienots ar divām atsperēm, savukārt spraudnis un ligzda ir savstarpēji savīti un nevar atdalīties viens no otra. Kamēr divpusēja kontaktjosla (ligzdu savienotājs) mehāniskas slodzes apstākļos vienmēr nodrošina vismaz vienu kontaktpunktu, savstarpēji savītās ģeometrijas dzimumu neitrālās kontaktu sistēmās garantē, ka signāla pārraide vienmēr notiek caur diviem kontaktpunktiem. Šī augstā redundance tādējādi nodrošina maksimālu kontaktu drošību (5. att.).
Kā savienošanas tehnoloģiju (pieslēgšanas tehnoloģija), lai nodrošinātu izturīgu savienojumu starp drukāto plati un savienotāju (savienotājs), ieteicams izmantot virsmas montāžas tehnoloģiju (SMT). Izmantojot lodēšanas pastu (lodēšanas pasta), savienotāji tiek pielodēti uz noteiktām drukātās plates kontaktlaukumiem – lodēšanas laukumiem (lodēšanas laukumiņiem). Tikai tā saucamajā reflow krāsnī (pārkausēšanas krāsns) 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 lodējuma vieta atbilstu standartam IPC-A-610, ir jāievēro pareizais attiecības starp SMT izvads, lodēšanas laukums un lodēšanas pasta. Tikai tādā veidā tiek izveidots augstas kvalitātes savienojums, kas nodrošina savienojumu atbilstoši IPC 3. klasei, tātad ir piemērots izmantošanai augstas jaudas elektronikas ierīcēs. Šajā klasē jebkurā brīdī ir jāizslēdz signāla pārraides traucējumi. Optimālu lodlodēts savienojums var atpazīt pēc vienmērīgas meniska veidošanās. Kontaktam visā perimetrā jābūt apņemtam ar lodēšanas menisku, lai panāktu vislabāko noturēšanas spēku ar drukāto plati (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 (savienotājs). Sākotnēji šķiet, ka iebūvēto savienotāju nozīme samazinās, jo samazinās vadības bloku skaits. Tomēr, rūpīgāk to izvērtējot, redzams, ka tieši šo pārmaiņu dēļ, kas saistītas ar centrālo datu apstrādi, izmantojot HPC, to nozīme pieaug: uzticamība signālu pārraidē nekad agrāk nav bijusi tik svarīga kā šodien.