Árnyékolt csatlakozók használata nagy alkatrészsűrűség és kis méretek esetén is megbízható, nagy sebességű kapcsolatok eléréséhez

A villamos árnyékolás olyan tervezési és gyártási szempont, amely az elektronika megjelenése óta szerepel a mérnökök gondjainak listáján, de egyre nagyobb aggodalomra ad okot, ahogy az adatátviteli sebességek nőnek, a rendszerek pedig egyre kisebbek és egyre szorosabban összeépítettek lesznek, több, egymáshoz közelebb futó jelvezetékkel. Ezek a tendenciák nagyban bonyolítják az egyébként egyszerű elgondolást: megakadályozni azt, hogy nem kívánt külső jelek érjék el a jelet hordozó vezetőt és befolyásolják a jelet, valamint hogy a hasznos jel energiája kifelé sugározzon, és befolyásolja a közeli vezetőket és áramköröket.

Ahhoz, hogy ez hatékony legyen, az árnyékolásnak teljesen körül kell vennie az aktív vezetékeket, 360°-os vezetési gátat képezve a teljes vezetékfutási útvonal mentén, beleértve a csatlakozókat is. Ennek eléréséhez sok tervező feltételezi, hogy koaxiális kábeleket (vagy röviden koaxkábeleket) és csatlakozókat kell használni, mert így a kábel belső árnyékolása testre köthető, miközben a teljes 360°-os árnyékolás is megőrizhető. Koaxiális kábelek használata esetén azonban kicsi a megvalósítható területi csatornasűrűség, ezért ez a megoldás nem alkalmas a két áramköri lap, illetve az áramköri lap és a hátlap nagy sebességű, nagy sűrűségű összekapcsolása támasztotta villamos és fizikai követelmények kielégítésére. A megoldás a nagy sebességű, teljesen árnyékolt összeköttetések választása. Ezek nagyszámú jelútvonalat tesznek lehetővé egyetlen teljesen árnyékolt csatlakozóházon belül.

Ez a cikk röviden tárgyalja az árnyékolás alapjait, valamint a nagy csatornaszámú összeköttetések és árnyékolások megvalósításakor a tervezők előtt álló kihívásokat olyan esetekben, amikor több egyvezetékes koaxiális kábel túl nagy méretű és tömegű lenne. Bemutatja, hogy miért különösen fontos a 360°-os árnyékolás, és a Samtec több árnyékolt csatlakozó termékcsaládja segítségével bemutatja a bevált gyakorlati módszereket arra, hogyan lehet szűk helyeken, nagy sebesség mellett megőrizni a jelépséget.

Kezdjük az árnyékolás alapjaival

A kábelek és azok összeköttetései (csatlakozók) szinte minden rendszer alapvető részét képezik. Ezek összekapcsolhatnak egy alaplapot egy köztes kártyával, egy áramköri lapot egy felhasználói panellel, egy egyedi csatlakozóval vagy valamilyen be- és kimeneti (I/O) áramkörrel. A jelépség megőrzése érdekében az összeköttetésnek támogatnia kell a jel(ek) sávszélességét, és ellen kell állnia úgy az elektromágneses, mint a rádiófrekvenciás zavarásnak (EMI/RFI). Ugyanakkor nem engedheti meg az elektromágneses és rádiófrekvenciás átsugárzást a szomszédos összeköttetések, áramköri lapok és alkatrészek felé, különösen azok felé, amelyek kis jelszintű vagy kényes jeleket továbbítanak.

Az árnyékolás tompítja az elektromágneses és a rádiófrekvenciás zavarás hatását. Attól függően, hogy hol és hogyan van elhelyezve, az árnyékolás csillapíthatja a zajt (ezt a zajt néha „támadónak” vagy „agresszornak” is nevezik) elsősorban a forrás közelében, vagy megakadályozhatja, hogy a zaj eljusson a zajra érzékeny áramkörhöz (az „áldozathoz”) (1. ábra).

1. ábra: Az árnyékolás (shield) gátként működik a támadó (aggressor) jelforrás, illetve az elektromágneses és rádiófrekvenciás zavarás akaratlan, ártatlan áldozata (victim) között (kép: Journal of Computer Science and Engineering, az Arvix archívumából)

Itt érdemes megjegyezni, hogy egy adott vezető egyszerre lehet az elektromágneses és rádiófrekvenciás zavaró energiák vagy zajok egy „csoportját” kibocsátó támadó és egy másik forrásból származó energia (zaj) áldozata. Emellett az elektromágneses és rádiófrekvenciás zavarást végző támadó nem feltétlenül a terméktől független külső „harmadik fél” forrás – ugyanilyen könnyen lehet a rendszer egy másik része is, amely a szomszédos vezetékekre vagy alkatrészekre sugárzott energiával véletlenül támadóként viselkedik.

Számos útmutató és úgynevezett „ökölszabály” létezik arra vonatkozóan, hogy hogyan és hova kell kötni ezeknek a kábeleknek és összeköttetéseknek a testelt árnyékolását, hogy megakadályozzuk vagy jelentősen csillapítsuk a zajenergia átvitelét a támadó és az áldozat között. Sajnos, nemcsak az van, hogy ezek az iránymutatások gyakran ellentmondanak egymásnak, de a helyes vagy legjobb megoldás gyakran az adott elrendezés sajátosságaitól függ. A javasolt iránymutatások többek között:

• kösse testre (földelje) az árnyékolás mindkét végét
• csak az árnyékolás egyik végét kösse testre, a forrásnál
• csak az árnyékolás egyik végét kösse testre, a vevőnél

Logikusan gondolkodva úgy tűnik, hogy nem lehet mindegyik igaz – vagy talán mégis, az áramkör kialakításának sajátosságaitól és a szükséges csillapítás mértékétől függően. Átfogó laboratóriumi tesztek kimutatták, hogy a gigahertzes (GHz) tartományban történő hatékony árnyékoláshoz az árnyékolás mindkét végét testre kell kötni, más szóval az árnyékolásnak folyamatosnak és megszakítás nélkülinek kell lennie.

Hangfrekvencián és alacsonyabb rádiófrekvenciákon a szabályok némileg rugalmasabbak. Bár az 1 MHz körüli készülékek esetében elfogadható lehet, ha az árnyékolásnak csak az egyik végét kötjük testre, de 10 MHz és annál nagyobb frekvenciák esetén már nem megfelelő ez a megoldás.

Teljes körkörös árnyékolásra van szükség

A részletes vizsgálati eredmények azt is megmutatták, hogy az árnyékoláshoz széles körben használt rövid sodrott vezetékes testelés gyakran nem volt kellően hatékony (2. ábra). Még ha csak néhány milliméter hosszú is, a kis induktivitása nagyobb frekvenciákon károsan hat a teljesítményére, és így az árnyékolás teljesítményének nagy részét semmissé teheti. Ami még rosszabb, az ártalmatlan sodrott vezetékes testelés valójában még káros hatású is lehet amiatt, hogy esetleg elektromágneses energiát sugárzó eszközként (antennaként) működik, és további elektromágneses és rádiófrekvenciás zajt sugároz, ahelyett, hogy pusztán csak hatástalan lenne a csillapításában.

2. ábra: A HDMI-kábel ártalmatlannak tűnő sodrott vezetékes árnyékolástestelése nemcsak hatástalan megoldás, hanem egyenesen káros hatású elektromágneses sugárzó is lehet (kép: Dana Bergey és Nathan Altland, az Interference Technology archívumából)

Ehelyett az árnyékolás testre kötésénél 360°-os (körkörös) fizikai lefedettségre van szükség, amit a legtöbb nagy teljesítményre vonatkozó és MIL szabvány elő is ír (3. ábra).

3. ábra: A lehető legjobb árnyékolási hatékonysághoz teljes 360°-os (körkörös) testre kötésre (fent) van szükség, nem pedig a gyors és egyszerű sodrott vezetékes testelésre (lent) (ábra: ResearchGate)

Az, hogy hézagmentes 360°-os körkörös lefedettség esetén mindkét végén testre kell kötni az árnyékolást, a fizika miatt van: ahogy a működési frekvenciák a több száz MHz-es és GHz-es tartományba emelkednek, a hozzájuk tartozó hullámhosszok egyre rövidebbek lesznek. Ez azt jelenti, hogy még az árnyékolás lefedettségében lévő apró hézagok is szó szerint lehetőséget jelentenek arra, hogy a jelenergia kis csillapítással vagy csillapítás nélkül jusson át rajtuk.

Amellett, hogy nagyobbak a frekvenciák, a mai rendszerek még sűrűre is vannak kiépítve. Ez azt jelenti, hogy a támadó és az áldozat között a terjedési távolság miatti rádiófrekvenciás veszteség sokkal kisebb, mivel a távolság miatti veszteség a távolság négyzetével nő. Így még egy látszólag jelentéktelen mértékű nem szándékos támadójel is elérheti és viszonylag nagy erősséggel befolyásolhatja az áldozatnak tekinthető áramkört.

A teljes 360°-os árnyékolás használata, amit hallva jellemzően az egyedi koaxiális kábelek és csatlakozók jutnak eszünkbe, kétségtelenül hatékony az elektromágneses és rádiófrekvenciás zavarvédelem szempontjából. A koaxiális kábel használata azonban gyakran nem felel meg a sok rendszer miatti nagy fizikai sűrűség támasztotta igényeknek.

Ezenkívül számos nagy teljesítményű rendszerben több párhuzamos jelvezeték árnyékolására van szükség, ahogyan azt két alapvető megoldásban láthatjuk:

– Két áramköri lap, például egy alaplap és egy köztes kártya közötti összeköttetés, egyetlen árnyékolással a több vezeték körül.

– Több árnyékolt koaxiális kábel egy kábelkötegben, egyetlen csatlakozóval.

Egyetlen árnyékolás a két áramköri lap közötti összeköttetéshez

Az egyetlen árnyékolás több jelvezetékhez való használatának elgondolása elvileg egyszerű. A több vezetéket a csatlakozóházzal való érintkezést megteremtő befogógyűrűre körben ráhajtott árnyékolás veszi körül (4. ábra).

4. ábra: A jelvezetők csoportja köré tekert árnyékolással a több vezetéket egy csoportként árnyékoljuk (kép: Samtec)

Ezzel a módszerrel megoldható az árnyékolás jelentette probléma, és csak nagyon kicsivel igényel több helyet az áramköri lapon az árnyékolatlan összeköttetéshez képest. Fontos, hogy az árnyékolt többeres csatlakozó ugyanazt az alapvető jelvezetési teljesítményt nyújtsa, mint az árnyékolatlan, ugyanakkor megbízható és következetes csatlakoztatást és leválasztást tegyen lehetővé az árnyékolás megsértése nélkül.

Egy példa erre a többeres árnyékolt összeköttetésre egy két áramköri lap közötti 20 érintkezős árnyékolt csatlakozópár, a Samtec ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR dugasz és a hozzá tartozó ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR aljzat (5. ábra). Ezeket a strapabíró, nagy sebességű csatlakozóleceket nagy, 28 Gb/s sebességű NRZ (non-return to zero, nullára vissza nem térő) kódolásra és 56 Gb/s sebességű négyszintű impulzusamplitúdó-modulációra (PAM4, pulse amplitude modulation) tervezték olyan felhasználási területekre, ahol gyakran kell összedugni és széthúzni a csatlakozót.

5. ábra: A 20 érintkezős ERM8 dugasz (balra) és a hozzá tartozó ERF8 aljzat (jobbra) két áramköri lap közötti árnyékolt csatlakozást tesz lehetővé (kép: Samtec)

Ezek a csatlakozók akár 1,5 mm-es érintkezési hosszt is lehetővé tesznek, és erős reteszeléssel és rögzítéssel vannak ellátva, valamint 360°-os árnyékolásúak, és elviselik, ha „cipzárszerűen” (azaz nem tengelyirányban, a normálisnál nagyobb erővel húzva) próbálják őket szétválasztani. A nagy átviteli sebességet a Samtec cég Edge Rate érintkezőrendszere teszi lehetővé, amelyet nagy sebességre és olyan felhasználási területekre terveztek, ahol gyakran kell összedugni és széthúzni a csatlakozót. A jelépség az oldalirányú áthallás csökkentésével van optimalizálva, és az érintkezők a kisebb kopás érdekében sima, szélesre hengerelt érintkezőfelületűek (6. ábra).

6. ábra: Az ERM8 és az ERF8 az oldalirányú áthallás csökkentése érdekében saját fejlesztésű Edge Rate érintkezőrendszert használ (kép: Samtec)

A szélesre hengerelt érintkezők sima érintkezőfelületet kínálnak, ellentétben a vágott csatlakozóélű préselt érintkezőkkel. Ez a sima érintkezőfelület csökkenti a kopásnyomokat az érintkezőn, növelve ezzel az érintkezőrendszer tartósságát és élettartamát. Emellett csökkenti az összedugáshoz és a széthúzáshoz szükséges erőt is.

Koaxiális kábelekre is szükség van

A koaxiális kábelek alapvető és pótolhatatlan szerepet játszanak a jelátvitelben, de ha több párhuzamos jelvezetékre van szükség, lehangoló lehet a csak egyetlen koaxiális kábelt támogató összeköttetések használata. Ennek a helyzetnek a megoldására a Samtec a többeres árnyékolt koaxiáliskábel-csatlakozók termékcsaládját kínálja, 20, 30, 40 vagy akár 50 érintkezős kivitelben. Ennek a termékcsaládnak a tagja az LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, egy 20 érintkezős, öncsatlakoztató hermafrodita (azaz dugaszként és hüvelyként is használható) felületszerelt csatlakozó (7. ábra).

7. ábra: Az LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR egy 20 érintkezős, öncsatlakoztató hermafrodita (azaz dugaszként és hüvelyként is használható) felületszerelt csatlakozó. A termékcsalád tagjai akár 50 érintkezősök is lehetnek (kép: Samtec)

Az LSHM egy nagy sűrűségű, strapabíró csatlakozó, amely két áramköri lap közötti, valamint az áramköri lap és egy kábel közötti összeköttetésre is használható, és az elektromágneses zavarvédelem érdekében árnyékolt változatban is kapható. A kis osztástávolságú Razor Beam érintkezőrendszerrel ez a dugaszként és hüvelyként is használható kialakítás helyet takarít meg a nyomtatott áramköri lap (nyák) X, Y és Z tengelye mentén is. Ennek a csatlakozónak 0,50 mm-es az osztástávolsága, és összedugáskor hallható kattanással jelzi a csatlakoztatást, az összedugásához és széthúzásához szükséges erő pedig körülbelül négyszer-hatszor akkora, mint a jellegzetes kis osztástávolságú csatlakozóknál megszokott.

Ez az áramköri lapra szerelhető csatlakozó csak az összeköttetés megteremtésének egyik fele, mivel az összeköttetéshez egy kábelre is szükség van (8. ábra). Ez a kábel szintén a Razor Beam technikát használja 0,50 mm-es osztástávolsággal.

8. ábra: A Razor Beam kis osztástávolságú öncsatlakoztató koaxiális kábelek az áramköri lap és egy kábel közötti kész többeres összeköttetést kínálnak (kép: Samtec)

A fentebb említett 20 érintkezős, áramköri lapra szerelhető, árnyékolt, többeres koaxiális csatlakozóhoz kiegészítő kábel az 1 méter hosszú HLCD-10-40.00-TD-TH-1 kábel, amelynek mindkét végén öncsatlakoztató hermafrodita csatlakozók vannak (9. ábra). A kábel 50 Ω impedanciájú, 38 AWG (átmérő: 0,1 mm) méretű mikro koaxiális kábeleket használ, és érintkezőnként 14 Gb/s a névleges átviteli sebessége.

9. ábra: A többeres, 50 Ω-os mikro koaxiális kábelek, amilyen például a 20 érintkezős HLCD-10-40.00-TD-TH-1, mindkét végükön öncsatlakoztató hermafrodita csatlakozókkal vannak ellátva (kép: Samtec)

Összeállítás

Hogy ezeket a nagy sebességű csatlakozókat könnyebb legyen kialakítani és használni, a Samtec kibővítette gyártói nyomtatottáramkörilap-elrendezésekre és csatlakozókra vonatkozó SPICE modelljeinek elgondolását azzal, hogy referenciaterveket kínál az áramköri lap egyik legnehezebb tervezési kérdéséhez: a nagy sebességű csatlakozó körüli kritikus „kivezetési terület” (BOR, break out region) kialakításához. A Samtec jelépséggel foglalkozó mérnökei kifejlesztették az úgynevezett Final Inch Break Out Region (az utolsó 2,5 cm-en kialakított kivezetési terület) elgondolást, amely a nagy sebességű csatlakozó termékcsaládokhoz kínál a nyomtatott áramköri lapok vezetőcsíkjainak vonalvezetésével kapcsolatos ajánlásokat.

Ezek a tervezési ajánlások a nyomtatott áramköri lapokhoz használt szokványos anyagok, a többrétegű nyomtatott áramköri lapok és kis költségű, nagy hozamú gyártási folyamatok használatán alapulnak, és nem igényelnek különleges kezelést. Ezeket az ajánlásokat használva időt és erőforrásokat lehet megtakarítani a tervezés, a fejlesztés és a kiértékelés során, és egyensúlyt teremthetnek a teljesítmény, a gyárthatóság és a költségek között.

Összegzés

A kábelek, csatlakozók és összeköttetések teljes villamos árnyékolása kritikus fontosságú a jelépség és a teljesítmény szempontjából mind a két áramköri lap közötti, mind az áramköri lap és egy kábel közötti összeköttetések esetében. Az árnyékolási probléma nagyobb feladatot jelent, ha több párhuzamos jelet kell árnyékolni az elektromágneses és rádiófrekvenciás zavarkibocsátás elkerülése érdekében, illetve az ezekre a zavarokra való érzékenység miatt. Amint látható, a Samtec többféle két áramköri lap közötti, illetve az áramköri lap és egy koaxiális kábel közötti többeres összeköttetésre szolgáló termékcsaládot kínál a tervezésnek és a gyártásnak a mechanikai illeszkedés és a villamos jelépség megőrzése, valamint a teljesítmény magas szinten tartása melletti egyszerűsítéséhez.