Alta velocità senza rischi
I Big Data e simili richiedono velocità di trasmissione dati sempre più elevate. Allo stesso tempo, i componenti elettronici devono non solo diventare sempre più veloci e intelligenti, ma anche sempre più piccoli. Ciò comporta rischi particolari nella trasmissione dei dati e, di conseguenza, nuove sfide per la tecnologia di connessione. A cosa dovete prestare attenzione nel vostro connettore per evitare interferenze di segnale?
La progressiva digitalizzazione in tutti i settori, come l’Industrial Internet of Things, l’Industria 4.0, la Smart Grid e la Smart Home, richiede una trasmissione dati ad alta velocità dal sensore al cloud. Ma non solo per i sensori, bensì anche per i sistemi di controllo industriale e i sistemi di telecamere industriali, il 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: i componenti elettronici non solo devono diventare sempre più veloci e intelligenti, ma anche sempre più piccoli. Questa progressiva miniaturizzazione rende più difficile per gli sviluppatori superare i test obbligatori di compatibilità elettromagnetica (EMC) 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, a domini e a zone
La classica architettura decentralizzata nel settore automobilistico è costituita da un massimo di 100 centraline, a ciascuna delle quali è assegnata una funzione definita: controllo del motore, airbag, ABS / ESP, regolazione dei sedili, climatizzazione, … Ogni centralina funziona in modo autonomo e comunica con le altre centraline tramite gateway.
Nel corso degli ultimi decenni, l’architettura decentralizzata ha subito una crescita storica: ogni nuova funzionalità veniva integrata con un ulteriore centralina. Oggi, tuttavia, sta raggiungendo i propri limiti: l’aumento delle funzionalità accresce notevolmente il carico di lavoro relativo all’installazione e al 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 è gestito da un computer ad alte prestazioni (HPC) autonomo, che coordina le centraline all’interno del proprio dominio. Per l’area funzionale della sicurezza, si tratterebbe, ad esempio, delle 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 carico 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 zonale, la strutturazione non avviene in base ai domini, ma secondo zone locali. Ad esempio, all’interno di una zona dell’autoveicolo vengono raggruppate diverse funzionalità. Di conseguenza, anche funzioni come la propulsione e l’infotainment possono essere raggruppate ed elaborate in un unico controller di zona. Il controllo di livello superiore dei vari controller di zona avviene tramite 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: ogni nuova funzionalità veniva integrata con un ulteriore centralina. Oggi, tuttavia, sta raggiungendo i propri limiti: l’aumento delle funzionalità accresce notevolmente il carico di lavoro relativo all’installazione e al 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 è gestito da un computer ad alte prestazioni (HPC) autonomo, che coordina le centraline all’interno del proprio dominio. Per l’area funzionale della sicurezza, si tratterebbe, ad esempio, delle 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 carico 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 zonale, la strutturazione non avviene in base ai domini, ma secondo zone locali. Ad esempio, all’interno di una zona dell’autoveicolo vengono raggruppate diverse funzionalità. Di conseguenza, anche funzioni come la propulsione e l’infotainment possono essere raggruppate ed elaborate in un unico controller di zona. Il controllo di livello superiore dei vari controller di zona avviene tramite 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 connettore
I requisiti che ne derivano per un HPC sono elevati: 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, in nessun caso deve verificarsi un’interruzione della trasmissione del segnale: la sua affidabilità deve essere garantita in ogni momento.
Elevate prestazioni, trasmissione dati veloce e soprattutto affidabile – talvolta in condizioni ambientali avverse – sono quindi requisiti che si applicano anche ai connettore installati.
La «leggibilità» di un segnale può essere illustrata con l’ausilio del cosiddetto diagramma a occhio. Questo indica se un segnale trasmesso può essere assegnato in modo univoco agli stati digitali 1 o 0 nel ricevitore.
A tal fine, un segnale percorre un percorso di trasmissione definito, durante il quale viene registrato da un oscilloscopio, sovrapposto e visualizzato. In questo modo è possibile sovrapporre tutte le possibili andature 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 varia. Si forma così la figura a forma di occhio da cui il diagramma prende il nome.
Elevate prestazioni, trasmissione dati veloce e soprattutto affidabile – talvolta in condizioni ambientali avverse – sono quindi requisiti che si applicano anche ai connettore installati.
La «leggibilità» di un segnale può essere illustrata con l’ausilio del cosiddetto diagramma a occhio. Questo indica se un segnale trasmesso può essere assegnato in modo univoco agli stati digitali 1 o 0 nel ricevitore.
A tal fine, un segnale percorre un percorso di trasmissione definito, durante il quale viene registrato da un oscilloscopio, sovrapposto e visualizzato. In questo modo è possibile sovrapporre tutte le possibili andature 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 varia. Si forma così la figura a forma di occhio da cui il diagramma prende il nome.
Al centro del diagramma si riconosce la cosiddetta «Eye Mask». In quest’area non è possibile un’identificazione univoca del segnale.
I due diagrammi a occhio mostrano l’influenza della lunghezza delle linee e dell’impedenza sull’esempio dei Colibri-connettore 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 (cfr. 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 risulta più definito rispetto alla versione precedente del Colibri da 10 Gbit/s: le coppie di segnali sono chiaramente interpretabili.
I due diagrammi a occhio mostrano l’influenza della lunghezza delle linee e dell’impedenza sull’esempio dei Colibri-connettore 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 (cfr. 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 risulta più definito rispetto alla versione 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 piastra di schermatura, 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 a raffica 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 a raffica di 0,5 kV, mentre la trasmissione del segnale del connettore schermato rimane stabile anche a 4,4 kV.
Utilizzando l’mutua induttanza 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 elettromagnetica. Se sono note la tensione indotta (Uind), la tensione del generatore (UGen) e la costante del generatore (kGen), è possibile determinare per una determinata applicazione l’mutua induttanza massima ammissibile (L) mediante la seguente formula:
LK = Uind / (UGen * kGen)
L’mutua induttanza, inoltre, aiuta l’utente a definire il connettore adeguato in termini di compatibilità elettromagnetica ed evita costose e dispendiose in termini di tempo prove per tentativi nel EMC-Labor. Ecco un esempio: per un segnale HDMI, a una tensione di 4,4 kV, è stata determinata un’mutua induttanza massima specifica per il caso in questione pari a 47 picohenry (pH). Se il valore supera tale soglia, il segnale non può più essere trasmesso senza interferenze.
LK = Uind / (UGen * kGen)
L’mutua induttanza, inoltre, aiuta l’utente a definire il connettore adeguato in termini di compatibilità elettromagnetica ed evita costose e dispendiose in termini di tempo prove per tentativi nel EMC-Labor. Ecco un esempio: per un segnale HDMI, a una tensione di 4,4 kV, è stata determinata un’mutua induttanza massima specifica per il caso in questione pari a 47 picohenry (pH). Se il valore supera tale soglia, 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 (connettore) sono ripetutamente esposti a condizioni ambientali estreme quali 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 tecnica di connessione svolgono un ruolo decisivo.
Fattore influente: sistema di contatto
I classici connettori a due parti (connettore) dispongono di un contatto a lama (Messer) e di un contatto a molla (contatto femmina). In caso di forti urti, tuttavia, la barra a lama (connettore maschio) può staccarsi dalla barra a molla (connettore femmina). Per evitare che si verifichi tale interruzione del contatto (microinterruzione), è possibile garantire la ridondanza e quindi la sicurezza del contatto utilizzando una barra a molla a doppia fila (connettore femmina), 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 (connettore) con il cosiddetto sistema di contatti ermafrodita. La particolarità risiede nelle geometrie identiche dei contatti delle coppie di connettori, Plug e Socket. Entrambi dispongono quindi sia di una molla che di una lama. In questo modo ogni pin viene a contatto con due molle; Plug e Socket sono intrecciati tra loro e non possono staccarsi l’uno dall’altro. Mentre una striscia a molla (connettore femmina) a doppia faccia garantisce sempre almeno un punto di contatto in caso di sollecitazione meccanica, le geometrie intrecciate dei sistemi di contatto gender-neutral assicurano che la trasmissione del segnale avvenga sempre tramite due punti di contatto. Questa elevata ridondanza garantisce quindi la massima sicurezza di contatto (Fig. 5).
Come tecnica di collegamento (tecnica di connessione) per un collegamento durevole tra il circuito stampato e il connettore (connettore) si raccomanda la tecnologia a montaggio superficiale (SMT). Mediante la pasta saldante (pasta saldante), i connettori vengono saldati su piazzole definite del circuito stampato, le piazzole di saldatura. Solo in un cosiddetto forno di rifusione (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 giunto di saldatura conforme alla norma IPC-A-610, è necessario rispettare il corretto rapporto tra piedino SMT, piazzola e pasta saldante. Solo in questo modo si ottiene una connessione di alta qualità che consente un collegamento conforme alla classe IPC 3, adatta quindi all’impiego nell’elettronica ad alte prestazioni. In questa classe devono essere esclusi in ogni momento i guasti nella trasmissione del segnale. Un connessione saldata ottimale si riconosce dalla formazione uniforme del menisco. Il contatto deve essere circondato su tutto il perimetro dal menisco di saldatura per ottenere le migliori forze di ritenzione 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 connettore installati. A prima vista, il ruolo dei connettori installati sembra passare in secondo piano a causa del numero ridotto di centraline. A un esame più attento, tuttavia, risulta che il loro ruolo acquista importanza proprio grazie a questa transizione verso un’elaborazione centrale dei dati tramite HPC: l’affidabilità nella trasmissione del segnale non è mai stata così importante come oggi.