Hogyan biztosítható, hogy a kártyákat összekapcsoló csatlakozók megfeleljenek a gépjárműipar gyors összeszerelhetőségre és használatra vonatkozó követelményeinek?

A gépjárműipari rendszerek tervezőinek gondosan kell kiválasztaniuk és használniuk a csatlakozókat, hogy azok fizikailag és villamosan is megbízhatóan működjenek olyan környezetben, ahol szélsőséges hőmérsékleteknek és páratartalomnak, szennyeződésnek és rezgéseknek vannak kitéve. A gépjárműiparban előírt teljesítmény- és megbízhatósági követelmények teljesítése és fenntartása egyre nagyobb kihívást jelent, mivel a járművek egyre inkább nagy teljesítményű „kerekes számítógépekké” válnak. A csatlakozóknak több átviteli vonalat kell kezelniük egyre szűkebb helyeken, több gigabit/másodperc (Gb/s) átviteli sebességgel, ami elengedhetelen az olyan szabványok használatához, mint a 10GBASE-T1 és a PCI Express 3. verziója (PCIe 3.0).

Hogy a feladat még nehezebb legyen, a gépjárműgyártók nagyon nagy gyártási mennyiséget követelnek meg, így az elektronikai összeszerelő cégeknek nagy sebességű összeszerelő gépeket kell használniuk, hogy lépést tudjanak tartani az elvárásokkal. A gyártási sebességet és a termelékenységet azonban nehéz magas szinten tartani úgy, hogy közben a csatlakozókat pontosan kell elhelyezni, hogy később problémamentesen illeszkedjenek egymáshoz.

Ezeknek a kihívásoknak fizikailag és villamosan is strapabíró lengőérintkezős csatlakozókkal lehet megfelelni, amelyek kiküszöbölik az automatizált összeszerelés során fellépő helyzeteltolódásokat és pontatlan összeigazításokat.

Ez a cikk ismerteti a gépjárműipari csatlakozókkal szemben támasztott, a villamos jelekre, a fizikai eszközökre, valamint a gyártásra vonatkozó követelményeket. Ezután bemutatja a JAE Electronics lengőérintkezős csatlakozóit, amelyeket a tervezők ezen igények kielégítésére használhatnak. Emellett foglalkozik a nagy átviteli sebességű kommunikációra vonatkozó szabványokkal, valamint az azokhoz alkalmas csatlakozók kiválasztásával és használatával, és tartalmaz a gépjárműiparban is használt nagy átviteli sebességű kommunikációs protokollokhoz, például a 10GBASE-T1-hez és a PCI Express 3. verziójához (PCIe 3.0) használható csatlakozók kiválasztására vonatkozó útmutatást is.

A nagy átviteli sebességű kommunikációs protokollokról röviden

A 10GBASE-T1 a 10 gigabites Ethernet-szabványok (10 GbE) családjának egyik tagja, és az Ethernet-keretek 10 Gb/s sebességű átvitelét teszi lehetővé. A 10GBASE-T1 egy „gépjárműipari Ethernet-változat”, amely sodrott érpáros kábelekkel akár 15 méteres távolságig használható. A 10 Gb/s adatátviteli sebesség a legnagyobb átviteli sebességet támogató gépjárműipari kommunikációs szabvány, és olyan felhasználási területeken is használható, mint az önvezetés.

A PCIe 3.0 egy nagy adatátviteli sebességű soros számítógépes bővítősínekre vonatkozó másik szabvány. Ez a szabvány maximum 8 milliárd átvitel/másodperc (GT/s) átviteli sebességet tesz lehetővé. Egy csúcskategóriás „x16 sávos” kialakításban a 8 GT/s átviteli sebesség 126 Gb/s összesített adatátviteli sebességnek felel meg.

A hagyományosan a számítógépek nagy sebességű sínjeként használt technika mostanában a jövő járműveinek rendszereit célozza meg, mivel a hardveres kialakítás garantálja, hogy a továbbított adatcsomagok megérkeznek a kívánt célállomásra. Ez egy rendkívül megbízható rendszert eredményez, amely alkalmas az önvezetés területén való használatra is.

Csatlakozók nagy átviteli sebességű gépjárműipari kommunikációhoz

A nagy sebességű kommunikációs protokollok kiváló minőségű csatlakozókat kívánnak meg. Ezeknek nemcsak stabil és megbízható kapcsolatot kell biztosítaniuk a kiváló jelépség érdekében, hanem a jármű élettartamának végéig, azaz sok éven át viszonylag könnyen szét- és visszacsatlakoztathatóaknak is kell lenniük. A kis méret és a többsávos csatlakoztathatóság érdekében sok érintkezőtüskének és -hüvelynek kell helyet adniuk, kis érintkezőtávolságokkal.

Nagy sebességű kommunikációs protokollokhoz – amilyen például a 10GBASE-T1 és a PCIe 3.0 – készült korszerű csatlakozók többek közt a JAE Electronics MA01 csatlakozócsaládjának tagjai. Ezek a csatlakozók olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a hengerelt felületű, kétpontos érintkezésű érintkezők, amelyek még a gépjárművekben jellemző rezgések, ütések és szélsőséges hőmérsékleti viszonyok között is garantálják a biztonságos mechanikus és villamos kapcsolatot (1. ábra).

1. ábra: Az MA01 sorozatú csatlakozók kétpontos érintkezésű érintkezőkkel vannak ellátva, ami ütések és rezgések esetén is segít fenntartani a folytonos villamos kapcsolatot (kép: JAE Electronics)

A 8 mm és 30 mm közötti kártyatávolságokhoz (2. ábra) kínált, a 10 GBASE-T1 és a PCIe 3.0 protokoll által megkövetelt 8 Gb/s átviteli sebességre képes MA01 sorozatú csatlakozók ideálisak olyan felhasználási területeken, mint a gépjárművek digitális vezérlőegységei. A csatlakozók összedugásához és széthúzásához kis erő kell, és a helytelen csatlakoztatás megakadályozására reteszeléssel vannak ellátva. A csatlakozók tág üzemi hőmérséklet-tartományban (–40 °C és 125 °C között) használhatók.

2. ábra: Az MA01 sorozatú csatlakozók 8 és 30 mm közötti kártyatávolságokkal kaphatóak (kép: JAE Electronics)

A termékcsalád egyik darabja az MA01F030VABBR300 jelű csatlakozó. Ez a csatlakozó egy gépjárműipari minőségű, nagy átviteli sebességű, két kártya közé illeszthető csatlakozó. A 20,925 mm × 8,8 mm × 12,3 mm-es házban 30 érintkező található 0,635 mm-es osztásközökkel. Az érintkezők rézötvözetből készülnek, (minimum) 0,1 µm aranybevonattal. A csatlakozó villamos jellemzői: 0,5 A névleges áramerősség és 50 V névleges váltakozó feszültség. Úgy tervezték, hogy akár 100 összedugás-széthúzás ciklust is kibírjon.

Az MA01F030VABBR300 csatlakozót úgy tervezték, hogy az MA01R030VABBR600 csatlakozóval párosítva gépjárműipari berendezésekben nagy átviteli sebességű kapcsolatokat tegyen lehetővé két kártya között (3. ábra).

3. ábra: Az MA01F030VABBR300 (alul) csatlakozónak 30 érintkezője van, és az MA01R030VABBR600 csatlakozóval párosítva stabil és megbízható, nagy átviteli sebességű kapcsolatot tesz lehetővé két kártya között (kép: JAE Electronics)

A szerelési problémák leküzdése

Az elektronikai tömegtermelés megköveteli a robotokkal végzett összeszerelést. A munkához használt automatikus elhelyezőrobotoknak vannak azonban mechanikai korlátai. Ez azt jelenti, hogy az alkatrészek valamilyen tűréshatáron belül eltolódva kerülhetnek a kártyákra. Míg a kisebb elhelyezési hibák jellegzetesek, és sem az aktív, sem a passzív alkatrészek esetében nem jelentenek problémát, addig a sokérintkezős, kis osztásközű csatlakozók összedugásakor gondokat okozhatnak. A problémát súlyosbítja, hogy a jellegzetes csatlakozók felületei nem sík felületek, ezért az elhelyezőrobot vákuumfúvókája nem mindig képes megfelelően ezeket a csatlakozókat megfogni.

Mivel az érintkezők távolsága általában kevesebb mint egy milliméter, a csatlakozók összedugásakor nem kell nagy elhelyezési hiba ahhoz, hogy az érintkezők megsérüljenek.

Ennek kivédésére a JAE MA01F030VABBR300 lengőérintkezőket használ, amelyek mind X, mind Y irányban ±0,5 mm-es elmozdulást tesznek lehetővé. Ez az elmozdulási tartomány segít helyesbíteni az elhelyezőrobotok által a szerelés során okozott helyzeteltolódásokat vagy hibás összeigazításokat. A csatlakozók levehető védősapkával vannak ellátva, amelyet az elhelyezőrobotok vákuumfúvókái biztonságosan meg tudnak fogni. A védősapka egyben azt is megakadályozza, hogy a csatlakozó felszerelése előtt nagy méretű törmelék kerüljön a csatlakozóba (4. és 5. ábra).

4. ábra: Az MA01F030VABBR300 az MA01 csatlakozópár alsó fele, és X és Y irányban ±0,5 mm-es elmozdulást engedélyező lengőérintkezőkkel van ellátva. Ez segít helyesbíteni a szerelés során bekövetkező helyzeteltolódásokat vagy hibás igazításokat (kép: JAE Electronics)

5. ábra: Az MA01 sorozat darabjait levehető védősapkával szállítják, amelyet az elhelyezőrobotok vákuumfúvókái biztonságosan meg tudnak fogni (kép: JAE Electronics)

A két kártya közötti csatlakozópár aljzatrésze, az MA01R030VABBR600 egy merev csatlakozó, mivel az érintkezőknek csak a csatlakozópár egyik felében kell lengenie az elhelyezési helyzettűrések megvalósításához.

Az MA01 sorozatú csatlakozóknak az összeszerelést megkönnyítő másik jellemzője, hogy jól láthatóak a forrasztási pontok, ahol a csatlakozó a nyomtatott áramköri laphoz kapcsolódik. A hagyományos csatlakozók esetében jellemzően takarva vannak ezek a forrasztási pontok, ami megnehezíti az ellenőrzést, és az üzem közbeni meghibásodások kockázatát rejti (6. ábra).

6. ábra: Az MA01 sorozat oldalsó csatlakozója jól szemlélteti, hogy a kialakítás hogyan könnyíti meg a csatlakozót a nyomtatott áramköri laphoz rögzítő forrasztások minőségének ellenőrzését (kép: JAE Electronics)

A problémamentes csatlakoztatás biztosítása

Az MA01 sorozat lengőérintkezős kialakítása az elhelyezési hibák helyesbítéséhez hasznos ugyan, de a csatlakozók kézi összedugásakor nagyobb eltérések is előfordulhatnak. Az ilyen hibás összeillesztés gyakran akkor fordul elő, amikor a csatlakozó két felét tartó felső és alsó nyomtatott áramköri kártyát „vakon” igazítják egymáshoz. Így a kényes érintkezők meglehetősen könnyen illeszthetők hibásan egymáshoz. Ami még rosszabb, a csatlakoztatást végző személy úgy érezheti, hogy a csatlakozó két fele megfelelően illeszkedik egymáshoz, még akkor is, ha az érintkezők megsérültek a csatlakoztatás során. Ilyen hibás egymáshoz igazítás vízszintesen mind az X, mind az Y irányban előfordulhat.

A JAE csatlakozók olyan illesztőcsapokkal vannak ellátva, amelyek megakadályozzák a hibás csatlakoztatást, még akkor is, ha a csatlakozók az összedugási folyamat során X és Y – vagy mindkét – irányban jelentősen elmozdulnak egymáshoz képest. Az illesztőcsap a csatlakozóházba van öntve, és a megfelelő illesztési helyzetbe igazítja a csatlakozó két felét (7., 8. és 9. ábra).

7. ábra: Az X irányban való hibásan igazítás esetén a JAE Electronics MA01 sorozat illesztőcsapja függőleges irányba tereli a csatlakozó felső felét (kép: JAE Electronics)

8. ábra: Y irányban az illesztőcsapok megakadályozzák a túl nagymértékű hibás igazítást, amely egyébként károsítaná az érintkezőket (kép: JAE Electronics)

9. ábra: Amikor vakon történő csatlakoztatással csatlakoztatnak egymáshoz két kártyát, az illesztőcsapok akár 1 mm-es vízszintes eltérést is helyesbítenek (kép: JAE Electronics)

A csatlakozó lengőérintkezői lehetővé teszik, hogy a csatlakozó a gépjárművekben jellemző ütéseket és rezgéseket az érintkező sérülésének kockázata nélkül elnyelje.

A nagy átviteli sebességű csatlakozók kiválasztása

A nagy átviteli sebességű kommunikációs rendszerek tervezése trükkös feladat. Még mielőtt a tervező elkezdené mérlegelni, hogy milyen jelépséget biztosít egy adott csatlakozó, a kapcsolódó nyomtatott áramköri lap elrendezésénél az áthallások és veszteségek csökkentése érdekében figyelembe kell venni olyan tényezőket, mint a célimpedanciák és a nagy átviteli sebességű különbségijel-csatornák vonalvezetése. Feltételezve azonban, hogy a tervező figyelembe vette ezeket és más kulcsfontosságú tervezési tényezőket, a csatlakozó még mindig jelentős szerepet játszhat a rendszer végső sávszélességében, a nyers adatátviteli sebességben és jelépségben.

A nagy átviteli sebességű csatlakozók kiválasztásakor először a kívánt kommunikációs protokoll legnagyobb sávszélességét kell ellenőrizni. Nincs sok értelme nagy sebességű működésre képes rendszert tervezni, ha a csatlakozó nem képes kezelni a protokoll működési frekvenciáját. A kiválasztás legegyszerűbb módja, ha olyan csatlakozókat választ, amelyek tanúsítottan megfelelnek a vonatkozó protokoll szabványának. Így a tervező biztos lehet abban, hogy a csatlakozót kifejezetten úgy tervezték, hogy képes legyen a legnagyobb átviteli sebességet és sávszélességet nyújtani.

A kompatibilis csatlakozó impedanciája is megfelel a vonatkozó nagy átviteli sebességű protokoll célimpedanciájának (ez általában 50 Ω). Fontosak más kiválasztási tényezők is, például a csatlakozó anyaga és méretei, valamint a lapra szerelés módja, de ezek kevésbé befolyásolják a jelépséget.

Bár a megfelelőségi tanúsítvány alapján a tervező megbízhat abban, hogy a csatlakozó képes ellátni a feladatát, fontos, hogy a gyártandó termékhez hasonló vagy azzal azonos elrendezésű nyomtatott áramköri lapot használva tesztelje is a kiválasztott csatlakozót. A csatlakozó adatlapja vagy elszigetelt vizsgálattal kapott adatai nem feltétlenül mutatnak meg olyan jelépséggel kapcsolatos gondokat, amelyek a valós használat során előfordulhatnak. A prototípuson végzett vizsgálat viszont egyértelműen jelzi a jelvisszaverődéssel vagy torzítással kapcsolatos problémákat.

A csatlakozó jelépségének meghatározásához a legfontosabb mérések az S-paraméterek és a szemábra. Az S-paraméterek a jelvisszaverődési és beiktatási veszteségeket jelzik az adott frekvenciatartományban. Ezeket meg kell mérni a működő áramkörön úgy, hogy a csatlakozó fel van szerelve a helyére, majd a kapott eredményeket össze kell hasonlítani a csatlakozó eltávolításával kapott eredményekkel, hogy értékelni lehessen a csatlakozónak a jelépségre gyakorolt hatását.

Az oszcilloszkóppal előállított szemábra az áramkör digitális tartománybeli teljesítményének képi megjelenítése. Ez a veszteségek, az áthallások, a szimbólumközi interferencia (ISI, intersymbol interference) és a bithibaarányok képi megjelenítésére szolgáló szabványos módszer. A vizsgálatokat ez esetben is el kell végezni a csatlakozóval és a nélkül is, hogy megállapítható legyen a csatlakozónak a jelépségre gyakorolt hatása.

Összegzés

A tervezők számára nagy kihívást jelent, hogy megfeleljenek a gépjárműiparban a kártyák összekapcsolására használt csatlakozókkal szemben támasztott szigorú fizikai és villamos teljesítménykövetelményeknek, miközben a csatlakozók nagy sebességű automatizált összeszerelés során történő pontatlan elhelyezés és az összeillesztési tűrés miatti sérülését is el kell kerülniük. A tervezők a JAE Electronics MA01 sorozatú csatlakozóinak használatával megoldhatják ezeket a feladatokat.

Mint látható, az MA01 csatlakozók kompatibilisek a több gigabites kommunikációs protokollokkal, stabil és megbízható megoldást kínálnak, és kis erő kell az összedugásukhoz és a széthúzásukhoz. Ezenfelül a csatlakozókat a gyors összeszerelhetőséget is szem előtt tartva tervezték. Az olyan jellemzők, mint a levehető védősapkák, a lengőérintkezők és az illesztőcsapok nagyobb tűréseket tesznek lehetővé a nyomtatott áramköri lapra szerelés terén és a két kártya vakon történő összekapcsolása során, a hibás összeillesztésnek és az érintkezők sérülésének kockázata nélkül.