Hur man säkerställer att kort- till kortkontakter uppfyller kraven för höghastighetsmontering och användning inom fordonsindustrin

Konstruktörer av fordonssystem måste välja och använda kontaktdon noggrant så att de fungerar tillförlitligt både fysiskt och elektriskt i miljöer där de utsätts för extrema temperaturer och luftfuktighet, föroreningar och vibrationer. Det blir allt svårare att uppfylla och upprätthålla kraven på bilars prestanda och tillförlitlighet när fordonen blir kraftfulla "datorer på hjul". Kontaktdonen måste kunna hantera fler överföringslinjer i trängre utrymmen med kommunikationshastigheter på flera gigabit per sekund, vilket är nödvändigt för att tillgodose standarder som 10GBASE-T1 och PCI Express version 3 (PCIe 3.0).

För att göra det hela ännu mer utmanande kräver fordonsföretagen mycket stora produktionsvolymer, så elektronikmonteringsföretag måste använda sig av maskiner för höghastighetsmontering för att kunna hålla jämna steg. Det är dock svårt att hålla produktionstakten och avkastningen hög och samtidigt placera kontaktdonen på ett korrekt sätt så att de senare kan kopplas ihop utan problem.

Dessa utmaningar kan lösas med hjälp av fysiskt och elektriskt robusta kontaktdon med rörliga kontakter som absorberar de positionsförskjutningar eller felplaceringar som kan uppstå vid automatiserad montering.

Artikeln beskriver de krav som ställs på elektriska signaler, fysiska tillämpningar och tillverkning av kontaktdon för bilar. Därefter presenteras rörliga kontakter från JAE Electronics som konstruktörer kan använda för att uppfylla dessa krav. Specifika uppgifter om standarder för höghastighetskommunikation och lämpliga val av kontaktdon och tillämpningar ingår, tillsammans med vägledning om hur man väljer kontaktdon för höghastighetskommunikationsprotokoll för bilar, t.ex. 10GBASE-T1 och PCI Express version 3 (PCIe 3.0).

Protokoll för höghastighetskommunikation i korthet

10GBASE-T1 är en av flera standarder för 10 gigabit Ethernet (10 GbE) som möjliggör överföring av Ethernet-ramar med en hastighet på 10 gigabit per sekund (Gbps). 10GBASE-T1 är en "Automotive Ethernet"-lösning som fungerar med hjälp av partvinnade kablar över avstånd på upp till 15 m. Datagenomströmningen 10 Gbit/s är den snabbaste kommunikationsstandarden för fordon och kan stödja tillämpningar som t.ex. autonom körning.

PCIe 3.0 är en annan standard för en seriell expansionsbuss med hög hastighet för datorer. Den möjliggör upp till 8 GT/s. I ett toppmodernt utförande med "x16 banor" motsvarar 8 GT/s en sammanlagd dataöverföringshastighet på 126 Gbit/s.

Tekniken har traditionellt använts som höghastighetsbuss i datorer, men riktas nu mot fordonstillämpningar i framtidens fordon eftersom hårdvarukonstruktionen garanterar att överförda datapaket kommer fram till den avsedda destinationen. Detta ger ett mycket tillförlitligt system som är lämpligt för autonom körning.

Kontaktdon för höghastighetskommunikation i fordon

Protokoll för höghastighetskommunikation kräver kontaktdon av hög kvalitet. De måste inte bara ge en robust och tillförlitlig anslutning för att garantera utmärkt signalintegritet, utan de måste även vara relativt enkla att koppla i och ur under många års drift. De måste dessutom rymma många stift och hylsor på en liten yta för att garantera en kompakt storlek med anslutning i flera rader.

Ett exempel på en modern kontaktfamilj för protokoll för höghastighetskommunikation som 10GBASE-T1 och PCIe 3.0 är serien MA01 från JAE Electronics. Kontaktdonen har funktioner som rullade ytkontakter och tvåpunktskontakter för att garantera säkra mekaniska och elektriska anslutningar även vid de vibrationer, stötar och extrema temperaturer som är typiska i fordonstillämpningar (figur 1).

Figur 1: Kontaktdonen i serien MA01 har ett kontaktdon med tvåpunktskontakter som gör det lättare att upprätthålla den elektriska kontinuiteten vid stötar och vibrationer. (Bildkälla: JAE Electronics)

Kontaktdonen i serien MA01 finns med olika stapelhöjder mellan 8 och 30 mm (figur 2) och kan överföra de hastigheter på 8 Gbit/s som krävs för 10 GBASE-T1 och PCIe 3.0. Kontakterna är perfekta för tillämpningar som till mellan kort till kort i digitala styrenheter för fordon. Kontaktdonen kräver låga i- och urkopplingskrafter och har en nyckling för att förhindra felaktig inkoppling. Kontaktdonen har ett stort drifttemperaturområde -40 till 125 °C.

Figur 2: Kontaktdonen i serien MA01 finns i stapelhöjder från 8 till 30 mm. (Bildkälla: JAE Electronics)

Ett exempel i sortimentet är MA01F030VABBR300. Kontaktdonet är ett kontaktdon av fordonskvalitet, för höghastighetsöverföring från kretskort till kretskort. Det har 30 positioner med ett stiftavstånd på 0,635 mm i en kropp med måtten 20,925 x 8,8 x 12,3 mm. Kontaktdonen är tillverkade av kopparlegering med ett lager guldplätering på 0,1 mikrometer (µm) (min). Kontaktdonets elektriska specifikation har märkströmmen 0,5 A och märkspänningen 50 V AC. Det är utformat för upp till 100 hopkopplingscykler.

MA01F030VABBR300 är konstruerat för att kopplas ihop med MA01R030VABBR600 och bilda kort- till kortanslutningar i höghastighetstillämpningar för fordon (figur 3).

Figur 3: MA01F030VABBR300 (nederst) har 30 positioner och kopplas samman med MA01R030VABBR600 för en robust och tillförlitlig höghastighetsanslutning från kretskort till kretskort. (Bildkälla: JAE Electronics)

Att övervinna utmaningar vid montering

Elektroniktillverkning i stora volymer kräver användning av robotteknik vid monteringen. De automatiska placeringsmaskiner som används för detta arbete har dock mekaniska begränsningar. Detta kan leda till toleranser i komponenternas placering. Även om små positioneringsfel är typiska och inte är något problem för aktiva och passiva komponenter kan de orsaka problem när man kopplar ihop kontakter med flera positioner och litet stiftavstånd. Problemet förvärras av att ett typiskt kontaktdon inte har en plan yta så att placeringsmaskinens vakuummunstycke kan få ett korrekt grepp.

Med typiska stift- till stiftavstånd på mindre än en millimeter krävs det inte mycket felplacering när kontaktdonen kopplas ihop för att kontakterna ska bli skadade.

För att lösa detta innehåller JAE MA01F030VABBR300 en teknik med rörliga kontakter som möjliggör en rörelse på ±0,5 mm i både X- och Y-led. Denna rörlighet korrigerar för lägesförskjutningar eller felplaceringar som orsakas av automatiserade maskiner vid monteringen. Kontaktdonen har ett löstagbart lock som ger ett säkert grepp vid placering av maskinens vakuummunstycken. Locket förhindrar även att större skräp tränger in i hopkopplingsområdet före montering av kontaktdonen (figur 4 och 5).

Figur 4: MA01F030VABBR300 är den undre halvan av denna MA01-koppling och använder en teknik med rörliga kontakter som möjliggör en rörelse på ±0,5 mm i X- och Y-led. Det gör det lättare att korrigera för positionsförskjutningar eller felplaceringar vid monteringen. (Bildkälla: JAE Electronics)

Figur 5: Serien MA01 levereras med ett löstagbart lock som gör att placeringsmaskinens vakuummunstycke kan få ett bra grepp. (Bildkälla: JAE Electronics)

Honsidan av kort till-kortkontakten, MA01R030VABBR600, är en stel kontakt eftersom endast den ena sidan av anslutningen behöver vara rörlig för att hantera placeringstoleranserna.

En annan egenskap hos som underlättar monteringsprocessen av kontaktdonen i MA01-serien är en tydlig vy av lödningarna där kontaktdonet möter kretskortet. Konventionella kontaktdon döljer vanligtvis dessa lödningar, vilket försvårar inspektionen och riskerar att leda till driftsfel (figur 6).

Figur 6: Ett sidomonterat kontaktdon i MA01-serien visar hur konstruktionen gör det enkelt att inspektera kvaliteten på lödningarna där kontakten är fäst på kretskortet. (Bildkälla: JAE Electronics)

Garantera problemfri hopkoppling

Tekniken med rörliga kontakter i MA01-serien är användbar när man kompenserar för felpositioneringar, men större felplaceringar kan uppstå när kontaktdonen sätts ihop manuellt. En sådan felplacering sker ofta när de övre och undre kretskorten som håller ihop de två halvorna av kontakten sätts ihop "i blindo", vilket gör det alltför lätt att placera de känsliga kontakterna fel. Ännu värre är att det kan kännas som om kontakten har kopplats ihop ordentligt även om kontaktdonet har skadats under processen. Sådan felplacering kan förekomma i både X- och Y-led.

Kontaktdonen från JAE har styrstolpar som förhindrar felaktig anslutning, även om kontaktdonen är kraftigt felplacerade i både X- och/eller Y-led vid hopkopplingsprocessen. Styrstolpen är gjuten i kontaktkroppen och styr de två halvorna av kontaktdonet i rätt läge (figur 7, 8 och 9).

Figur 7: Vid feljustering i X-led styrs den övre delen av kontaktdonet i vertikal riktning av styrstolpen på MA01-serien från JAE Electronics. (Bildkälla: JAE Electronics)

Figur 8: I Y-led förhindrar styrstolparna en alltför stor felplacering som annars skulle skada kontakterna. (Bildkälla: JAE Electronics)

Figur 9: När två kretskort kopplas ihop "i blindo" kompenserar styrstolparna för en felplacering på upp till 1 mm. (Bildkälla: JAE Electronics)

När kontakten väl har kopplats ihop kan den tack vare funktionen med de rörliga kontakterna absorbera stötar och vibrationer som är typiska i fordonstillämpningar utan någon risk för skador på kontakterna.

Val av höghastighetskontaktdon

Det är svårt att utforma system för höghastighetskommunikation. Redan innan konstruktören börjar fundera på signalintegriteten hos ett visst kontaktdon måste den tillhörande kretskortslayouten ta hänsyn till faktorer som målimpedanser och styrning av de differentiella höghastighetssignalernas kanaler så att överhörning och förluster begränsas. Men om konstruktören har tagit hänsyn till detta och andra viktiga faktorer i konstruktionen kan kontaktdonet ha stor betydelse för systemets slutliga bandbredd, överföring av rådata och signalintegritet.

Det första man bör kontrollera när man väljer ett höghastighetskontaktdon är den maximala bandbredden för det önskade kommunikationsprotokollet. Det är ingen idé att konstruera ett system som kan arbeta i hög hastighet om kontakten inte klarar protokollets driftfrekvens. Ett enkelt sätt att göra detta är att välja kontaktdon som är certifierade enligt den relevanta protokollstandarden. På så sätt kan konstruktören vara säker på att kontakten har utformats specifikt för att garantera maximal genomströmning och bandbredd.

En kompatibel kontakt kommer även att ha målimpedansen för det relevanta höghastighetsprotokollet (vanligtvis 50 Ω). Andra faktorer i valet, som t.ex. vilket material kontakten är tillverkad av, hur den ska monteras på kretskortet och vilka mått den har, är viktiga, men har mindre betydelse för signalintegriteten.

Även om certifiering av överensstämmelse ger konstruktören förtroende för att kontakten kan klara jobbet är det viktigt att testa den utvalda kontakten på ett testkort med liknande eller identisk layout som produktionsobjektet. Databladet eller isolerad testning av kontaktdonet kanske inte visar på signalintegritetsproblem som kan uppstå vid verklig användning. Testning på en prototyp ger en tydlig indikation på problem med signalreflektion och/eller distorsion.

De viktigaste mätningarna för att fastställa kontaktdonets signalintegritet är S-parametrarna och ögondiagrammet. S-parametrarna visar signalens retur- och införingsförluster i frekvensdomänen. De bör mätas på kretsen i drift med kontaktdonet på plats och sedan jämföras med resultaten när kontakten kopplas ur för att utvärdera dess inverkan på signalintegriteten.

Ett oscilloskopgenererat ögondiagram är en visualisering av kretsens prestanda i den digitala domänen. Det är en standardmetod för att visualisera förluster, överhörning, intersymbolinterferens (ISI) och bitfelsgrad. Testerna bör återigen utföras med och utan kontaktdonet för att fastställa dess inverkan på signalintegriteten.

Sammanfattning

Det är en utmaning för konstruktörer att uppfylla de krävande fysiska och elektriska prestandakraven för kort- till kortkontakter för fordon, samtidigt som man undviker skador på kontakten på grund av dålig positionering och felplaceringstolerans vid automatiserad montering i hög hastighet. Konstruktörer kan övervinna utmaningarna med hjälp av kontaktdon ur serien MA01 från JAE Electronics.

Som framgår är MA01-kontaktdonen kompatibla med kommunikationsprotokoll för flera gigabit och ger en robust och tillförlitlig lösning med låg resistans vid in- och urkoppling. Kontaktdonen har dessutom utformats med snabbmontering i åtanke. Funktioner som t.ex. löstagbara lock, rörliga kontakter och styrstolpar möjliggör större toleranser vid kortmontering och från kort till kort "i blindo" utan risk för felplacering och skador på kontakterna.