Alta velocità senza rischi
I Big Data e applicazioni analoghe richiedono velocità di trasmissione dati sempre più elevate. Contestualmente, i componenti elettronici devono diventare non solo più veloci e intelligenti, ma anche più compatti. Ciò comporta rischi specifici nella trasmissione dei dati e, di conseguenza, nuove sfide per la tecnologia di connessione. A cosa occorre prestare attenzione nella scelta dei connettori per evitare interferenze di segnale?
La crescente digitalizzazione in tutti i settori, come l’Industrial Internet of Things, l’Industria 4.0, le reti intelligenti (Smart Grid) e la domotica (Smart Home), richiede una trasmissione dati ad alta velocità dal sensore al cloud. Tuttavia, non solo per i sensori, ma anche per i sistemi di controllo industriale e i sistemi di telecamere, le comunicazioni dati (Datacom) e le applicazioni server, vale la regola: i segnali devono essere trasmessi in modo affidabile a 20 Gbit/s e oltre. Oltre all'alta velocità, l'IIoT, i Big Data e simili portano con sé un'altra tendenza: secondo questa, i componenti elettronici non solo devono diventare sempre più veloci e intelligenti, ma anche sempre più piccoli. Questa progressiva miniaturizzazione rende difficile per gli sviluppatori superare i test di compatibilità elettromagnetica (EMC) obbligatori previsti dalla direttiva europea. Infatti, i componenti elettronici di un modulo possono agire sia come dissipatori di interferenze che come fonti di interferenze e la vicinanza di componenti sensibili aumenta il rischio di interferenze reciproche.
Definizione di rete di bordo: architettura decentralizzata, basata su domini e zone
La classica architettura decentralizzata nel settore automobilistico è composta da un massimo di 100 centraline, a ciascuna delle quali è assegnata una funzione specifica: controllo del motore, airbag, ABS/ESP, regolazione dei sedili, climatizzazione, … Ogni centralina opera in modo autonomo e comunica con le altre tramite gateway.
Nel corso degli ultimi decenni, l'architettura decentralizzata ha subito una crescita storica, con ogni nuova funzionalità che veniva integrata da un'ulteriore centralina. Oggi, tuttavia, sta raggiungendo i propri limiti: le funzionalità crescenti aumentano notevolmente i costi di installazione e cablaggio all'interno del veicolo.
Nell'architettura a domini, le centraline vengono raggruppate in diverse aree funzionali. Ogni dominio è responsabile di un'area specifica del veicolo, come ad esempio la propulsione, l'infotainment o la sicurezza. Il controllo di livello superiore di un dominio viene eseguito da un computer ad alte prestazioni (HPC) autonomo. Questo coordina le centraline all'interno del proprio dominio. Per l'area funzionale della sicurezza, si tratterebbe ad esempio di centraline per i sistemi di assistenza alla guida, ABS/ESP e sistemi di sterzo.
Rispetto all'architettura decentralizzata, il minor numero di centraline installate riduce il lavoro di cablaggio e installazione. L'architettura a domini può quindi contribuire efficacemente alla riduzione dei costi e del peso rispetto all'architettura decentralizzata. Inoltre, è possibile integrare successivamente funzioni aggiuntive con uno sforzo minimo.
Nell'architettura a zone, la strutturazione non avviene in base ai domini, ma a zone locali. Ad esempio, all'interno di una zona dell'automobile vengono raggruppate diverse funzionalità. Di conseguenza, anche funzioni come la propulsione e l'infotainment possono essere raggruppate ed elaborate in un controller di zona. Il controllo di livello superiore dei vari controller di zona è gestito da un HPC centrale. Il vantaggio è evidente: una riduzione delle centraline e del relativo cablaggio fino al 50%.
Nel corso degli ultimi decenni, l'architettura decentralizzata ha subito una crescita storica, con ogni nuova funzionalità che veniva integrata da un'ulteriore centralina. Oggi, tuttavia, sta raggiungendo i propri limiti: le funzionalità crescenti aumentano notevolmente i costi di installazione e cablaggio all'interno del veicolo.
Nell'architettura a domini, le centraline vengono raggruppate in diverse aree funzionali. Ogni dominio è responsabile di un'area specifica del veicolo, come ad esempio la propulsione, l'infotainment o la sicurezza. Il controllo di livello superiore di un dominio viene eseguito da un computer ad alte prestazioni (HPC) autonomo. Questo coordina le centraline all'interno del proprio dominio. Per l'area funzionale della sicurezza, si tratterebbe ad esempio di centraline per i sistemi di assistenza alla guida, ABS/ESP e sistemi di sterzo.
Rispetto all'architettura decentralizzata, il minor numero di centraline installate riduce il lavoro di cablaggio e installazione. L'architettura a domini può quindi contribuire efficacemente alla riduzione dei costi e del peso rispetto all'architettura decentralizzata. Inoltre, è possibile integrare successivamente funzioni aggiuntive con uno sforzo minimo.
Nell'architettura a zone, la strutturazione non avviene in base ai domini, ma a zone locali. Ad esempio, all'interno di una zona dell'automobile vengono raggruppate diverse funzionalità. Di conseguenza, anche funzioni come la propulsione e l'infotainment possono essere raggruppate ed elaborate in un controller di zona. Il controllo di livello superiore dei vari controller di zona è gestito da un HPC centrale. Il vantaggio è evidente: una riduzione delle centraline e del relativo cablaggio fino al 50%.
Requisiti per l'HPC e i suoi connettori
I requisiti che ne derivano per un HPC sono notevoli: non da ultimo, l'elaborazione dei dati di imaging nel settore dell'infotainment o dei sistemi di telecamere per la guida autonoma richiede una trasmissione dati sicura ad alta velocità con tempi di latenza ridotti. Allo stesso tempo, non deve verificarsi in nessun caso un'interruzione della trasmissione del segnale: la sua affidabilità deve essere garantita in ogni momento.
Alte prestazioni, trasmissione dati veloce e soprattutto affidabile – talvolta in condizioni ambientali avverse – sono quindi requisiti che si applicano anche ai connettori installati.
La leggibilità di un segnale può essere illustrata mediante il cosiddetto diagramma a occhio. Questo indica se un segnale trasmesso può essere chiaramente assegnato agli stati digitali 1 o 0 nel ricevitore.
A tal fine, un segnale percorre un percorso di trasmissione definito, durante il quale viene registrato, sovrapposto e visualizzato da un oscilloscopio. In questo modo è possibile rappresentare “sovrapposti” tutti i possibili andamenti del segnale. In teoria, le transizioni degli stati logici sono infinitamente ripide e le linee del segnale si sovrappongono esattamente. A causa di fattori di disturbo esterni e di interferenze interne alle coppie di segnali, la salita del segnale si appiattisce e l’ampiezza cambia. Si crea così la forma a occhio che dà il nome al diagramma.
Alte prestazioni, trasmissione dati veloce e soprattutto affidabile – talvolta in condizioni ambientali avverse – sono quindi requisiti che si applicano anche ai connettori installati.
La leggibilità di un segnale può essere illustrata mediante il cosiddetto diagramma a occhio. Questo indica se un segnale trasmesso può essere chiaramente assegnato agli stati digitali 1 o 0 nel ricevitore.
A tal fine, un segnale percorre un percorso di trasmissione definito, durante il quale viene registrato, sovrapposto e visualizzato da un oscilloscopio. In questo modo è possibile rappresentare “sovrapposti” tutti i possibili andamenti del segnale. In teoria, le transizioni degli stati logici sono infinitamente ripide e le linee del segnale si sovrappongono esattamente. A causa di fattori di disturbo esterni e di interferenze interne alle coppie di segnali, la salita del segnale si appiattisce e l’ampiezza cambia. Si crea così la forma a occhio che dà il nome al diagramma.
Al centro del diagramma si riconosce la cosiddetta «Eye Mask». In quest’area non è possibile identificare con certezza il segnale.
I due diagrammi a occhio mostrano l'influenza della lunghezza del cavo e dell'impedenza sull'esempio dei connettori ept Colibri® nelle versioni da 16+ Gbit/s e 10 Gbit/s. L'esempio illustra come, grazie all'ulteriore sviluppo del design dei contatti, sia stato possibile ottenere un notevole aumento dell'integrità del segnale (vedi fig. XX). Grazie a una lunghezza del cavo più corta e a un'impedenza di 100 Ω, l'occhio della variante Colibri® da 16+ Gbit/s si forma in modo più chiaro rispetto alla variante precedente del Colibri® da 10 Gbit/s: le coppie di segnali sono chiaramente interpretabili.
I due diagrammi a occhio mostrano l'influenza della lunghezza del cavo e dell'impedenza sull'esempio dei connettori ept Colibri® nelle versioni da 16+ Gbit/s e 10 Gbit/s. L'esempio illustra come, grazie all'ulteriore sviluppo del design dei contatti, sia stato possibile ottenere un notevole aumento dell'integrità del segnale (vedi fig. XX). Grazie a una lunghezza del cavo più corta e a un'impedenza di 100 Ω, l'occhio della variante Colibri® da 16+ Gbit/s si forma in modo più chiaro rispetto alla variante precedente del Colibri® da 10 Gbit/s: le coppie di segnali sono chiaramente interpretabili.
Poiché i segnali ad alta velocità sono particolarmente sensibili alle interferenze elettromagnetiche, necessitano di una protezione specifica. Un connettore può fungere sia da fonte di interferenza che da dissipatore. Per questo motivo si raccomanda una protezione del segnale tramite una lamiera schermata, al fine di proteggere i segnali sensibili da influenze esterne.
La figura 4 mostra come anche un piccolo impulso elettrico possa alterare il segnale utile. Il ricevitore non è più in grado di interpretare in modo univoco gli stati digitali del segnale HDMI già dopo un breve impulso di 0,5 kV, mentre la trasmissione del segnale del connettore schermato rimane stabile anche a 4,4 kV.
La figura 4 mostra come anche un piccolo impulso elettrico possa alterare il segnale utile. Il ricevitore non è più in grado di interpretare in modo univoco gli stati digitali del segnale HDMI già dopo un breve impulso di 0,5 kV, mentre la trasmissione del segnale del connettore schermato rimane stabile anche a 4,4 kV.
Utilizzando l'induttanza di accoppiamento LK come parametro EMC, il connettore può essere descritto considerando le condizioni elettriche in entrambe le funzioni – sorgente e carico. A tal fine si utilizza l'unità Henry. Ciò vale sia per l'immunità che per l'emissione. Se la tensione indotta (Uind), la tensione del generatore (UGen) e la costante del generatore (kGen) sono note, è possibile determinare l'induttanza di accoppiamento massima consentita specifica per una determinata applicazione utilizzando la seguente formula:
LK = Uind / (UGen * kGen).
L'induttanza di accoppiamento consente all'utente di definire il connettore adeguato in termini di compatibilità elettromagnetica ed evitare costose e lunghe prove di trial-and-error nel laboratorio EMC. Ecco un esempio: per un segnale HDMI, a una tensione di 4,4 kV è stata determinata un'induttanza di accoppiamento massima specifica per il caso di 47 picohenry (pH). Se il valore è superiore, il segnale non può più essere trasmesso senza interferenze.
LK = Uind / (UGen * kGen).
L'induttanza di accoppiamento consente all'utente di definire il connettore adeguato in termini di compatibilità elettromagnetica ed evitare costose e lunghe prove di trial-and-error nel laboratorio EMC. Ecco un esempio: per un segnale HDMI, a una tensione di 4,4 kV è stata determinata un'induttanza di accoppiamento massima specifica per il caso di 47 picohenry (pH). Se il valore è superiore, il segnale non può più essere trasmesso senza interferenze.
Ma non sono solo le interferenze elettromagnetiche a compromettere la trasmissione dei segnali ad alta velocità. Soprattutto nel settore automobilistico, i connettori sono esposti ripetutamente a condizioni ambientali estreme come vibrazioni e urti. Affinché la trasmissione del segnale avvenga senza interruzioni anche in ambienti difficili, il connettore deve essere particolarmente robusto. In questo contesto, il design dei contatti, il sistema di contatto e la tecnologia di connessione giocano un ruolo decisivo.
Fattore influente: sistema di contatto
I classici connettori a due parti sono dotati di un contatto a lama e di un contatto a molla. In caso di forti urti, tuttavia, la barra a lama può staccarsi dalla barra a molla. Per evitare tale interruzione del contatto, è possibile garantire la ridondanza e quindi la sicurezza del contatto utilizzando una barra a molla a doppia faccia, poiché grazie alla seconda molla la trasmissione del segnale è assicurata in ogni momento almeno tramite un punto di contatto (fig. 5).
Ancora più robusti sono invece i connettori dotati del cosiddetto sistema di contatto «gender-neutral». La particolarità risiede nelle geometrie identiche dei contatti delle coppie di connettori, spina e presa. Entrambe dispongono infatti sia di una molla che di un contatto a lama. In questo modo ogni pin viene a contatto con due molle; spina e presa sono intrecciate tra loro e non possono staccarsi l’una dall’altra. Mentre una striscia a molla a doppia faccia garantisce sempre almeno un punto di contatto sotto carico meccanico, le geometrie intrecciate nei sistemi di contatto gender-neutral assicurano che la trasmissione del segnale avvenga sempre tramite due punti di contatto. Questa elevata ridondanza consente quindi la massima sicurezza di contatto (fig. 5).
Come tecnica di connessione per un collegamento durevole tra il circuito stampato e il connettore, si raccomanda la tecnologia a montaggio superficiale (SMT). In questo processo, i connettori vengono saldati su aree di contatto definite del circuito stampato, i cosiddetti pad di saldatura, utilizzando pasta saldante. Solo all’interno di un cosiddetto forno di rifusione la lega saldante viene portata a fusione e successivamente indurita. Grazie alla SMT è possibile realizzare connessioni stabili tra connettore e circuito stampato. A tal fine, tuttavia, devono essere soddisfatti alcuni criteri: innanzitutto, per un punto di saldatura conforme alla norma IPC-A-610, è necessario rispettare il corretto rapporto tra piede di saldatura, pad di saldatura e pasta saldante. Solo in questo modo si ottiene una connessione di alta qualità che consente un collegamento di classe IPC 3, adatto quindi all'impiego nell'elettronica ad alte prestazioni. In questa classe devono essere esclusi in ogni momento i guasti nella trasmissione del segnale. Un collegamento saldato ottimale si riconosce dalla formazione uniforme del menisco. Il contatto deve essere circondato dal menisco di saldatura per ottenere le migliori forze di tenuta sul circuito stampato. (Fig. 9).
La coplanarità dei piedini di contatto è un requisito fondamentale per garantire un collegamento eccellente; essa viene sottoposta a un’ispezione automatizzata al 100% durante il processo.
Conclusione
Gli attuali sviluppi nel settore automobilistico pongono requisiti sempre nuovi ai connettori installati. A prima vista, il ruolo dei connettori sembra passare in secondo piano a causa della riduzione del numero di centraline. A un esame più attento, tuttavia, risulta evidente che proprio questo passaggio all’elaborazione centrale dei dati tramite HPC ne accresce l’importanza: l’affidabilità nella trasmissione dei segnali non è mai stata così fondamentale come oggi.