Använd skyddsskärmade kontaktdon för att uppnå tillförlitliga höghastighetsanslutningar i täta, kompakta format

Elektrisk avskärmning är ett konstruktions- och tillverkningsbekymmer som har funnits med på ingenjörens lista över problem sedan elektronikens tidigaste dagar, men det blir allt mer bekymmersamt när datahastigheterna ökar och systemen blir mindre samt mer integrerade med fler signalledningar i närmare anslutning till varandra. Dessa trender komplicerar i hög grad vad som annars är ett enkelt koncept: förhindra att externa oönskade signaler når och påverkar en ledare som bär en signal, samt förhindra att energin från en önskad signal strålar utåt och påverkar närliggande ledare och kretsar.

För att vara effektiv måste skyddsskärmen omge de aktiva ledarna helt, och bilda en ledande och helt omslutande barriär längs hela vägen, anslutningskontaktdon inkluderat. För att uppnå detta antar många konstruktörer att de måste använda koaxialkablar och kontaktdon, eftersom den interna kabelskärmen kan anslutas samtidigt som skyddsskärmens omslutande integritet bibehålls. Men, yttätheten vid användning av koaxialkablar är låg och därför är denna metod inte lämplig för att uppfylla de elektriska och fysiska kraven i många sammankopplingar för hög hastighet och hög densitet vid tillämpningar med kort-till-kort och kort-till-bakplan. Lösningen är att välja sammankopplingar med hög hastighet och hel skyddsskärm. De stödjer flera signalvägar i ett enda, helt skärmat, kontaktdon.

Artikeln diskuterar kortfattat grunderna för avskärmning och de utmaningar som konstruktörer ställs inför när de implementerar sammankopplingar med många kanaler och avskärmning, där flera koaxialkablar med en kanal skulle ha en överdrivet stor sammanlagd storlek och volym. Den visar varför omslutande avskärmning är särskilt viktig, och använder flera serier av skärmade kontaktdon från Samtec för att illustrera bästa praxis för konstruktion och implementering av snabb signalintegritet i trånga utrymmen.

Grunderna för avskärmning

Kablage och deras sammankopplingar (kontaktdon) är en viktig del i nästan alla system. De kan ansluta ett moderkort till ett tilläggskort, ett kort till en manöverpanel, ett specialiserat gränssnitt eller ett I/O-arrangemang (in-/utgångar). För att upprätthålla signalintegriteten måste sammankopplingen hantera signalernas bandbredd och dessutom vara motståndskraftig mot elektromagnetiska störningar/radiofrekvensstörningar (EMI/RFI). Samtidigt får den inte heller tillåta EMI-/RFI-strålning till intilliggande sammankopplingar, kort eller komponenter, särskilt inte sådana som överför signaler med låg nivå eller känsliga signaler.

Avskärmning dämpar effekterna av elektromagnetiska störningar och radiofrekvensstörningar. Beroende på var och hur den placeras kan den i första hand dämpa störningar i närheten av sin störningskälla eller hindra dessa från att nå störningskänsliga delar (figur 1).

Figur 1: Avskärmning fungerar som en barriär mellan en störningskälla och delar känsliga för EMI och RFI. (Bildkälla: Journal of Computer Science and Engineering via Arvix)

Observera att en given ledare kan vara både en störningskälla, som avger en koncentrerad mängd EMI-/RFI-energi, men kan även vara känslig för störningsenergi från en annan källa. Dessutom behöver störningskällan med EMI/RFI inte vara någon extern källa från ”tredje part” som inte är relaterad till produkten, det kan lika gärna vara en annan del av systemet som agerar som en oavsiktlig störningskälla genom att utstråla energi till en intilliggande ledare eller komponent.

Det finns många riktlinjer och så kallade "tumregler" för hur och var jordskärmen på dessa kablar och sammankopplingar ska anslutas för att blockera, eller avsevärt dämpa, överföringen av störningsenergi mellan störningskälla och störningskänsliga delar. Tyvärr motsäger dessa riktlinjer inte bara ofta varandra utan det rätta, eller bästa, svaret verkar ofta bero på hur installationen ser ut i detalj. Bland de föreslagna riktlinjerna finns följande:

• Anslut (jorda) skyddskärmens båda ändar.
• Anslut endast ena änden, vid källan.
• Anslut endast ena änden, vid mottagaren.

Vid en första anblick, kan alla inte ha rätt, eller så kan de det, beroende på detaljer i konstruktion och hur mycket dämpning som behövs. Omfattande laboratorietester har visat att båda ändar av skyddsskärmen måste vara anslutna för att uppnå en effektiv avskärmning i gigahertzområdet (GHz), med andra ord måste skyddsskärmen vara fri från avbrott.

Reglerna är något mer flexibla vid ljud och lägre RF-frekvenser. Anslutning av skyddsskärm i endast en ände kan dock vara acceptabelt för tillämpningar på upp till cirka 1 MHz, men det är inte lämpligt för 10-tals MHz och högre.

Fullständig avskärmning krävs

Detaljerade testresultat visade också hur den allmänt använda korta anslutningen av skyddsskärmen ofta var ineffektiv (figur 2). Även om den bara är några millimeter kan dess låga induktans försämra effektiviteten vid högre frekvenser och därmed upphäva en stor del av skyddsskärmens effektivitet. Än värre är att den harmlösa skyddsskärmanslutningen faktiskt kan vara kontraproduktiv genom att fungera som en antenn, som sänder ut mer EMI/RFI snarare än att bara vara ineffektiv för att att dämpa den.

Figur 2: Den harmlösa anslutningen av skyddsskärmen på denna HDMI-kabel är inte bara ineffektiv utan kan även vara en kontraproduktiv elektromagnetisk antenn. (Bildkälla: Dana Bergey och Nathan Altland, via Interference Technology)

Det som istället behövs är en helt omslutande avskärmning vid skyddsskärmens anslutning, vilket är vad som krävs i de flesta högeffektiva standarder och standarder enligt MIL (figur 3).

Figur 3: En helt omslutande anslutning (överst) krävs för maximal avskärmningseffekt, snarare än den snabba och enkla icke-omslutande anslutningen av avskärmningen till jord (nederst). (Bildkälla: ResearchGate)

Behovet av anslutning i båda ändar med helt omslutande avskärmning utan avbrott beror på fysikaliska faktorer; när driftsfrekvenserna ökar till hundratals MHz och GHz blir de motsvarande våglängderna kortare. Det innebär att även små hål i avskärmningen utgör en risk för att signalenergi kan passera igenom med liten eller ingen dämpning.

Tillsammans med högre frekvenser är dagens system väldigt täta. Det innebär att eventuell förlust av radiofrekvensernas utbredningsväg, mellan störningskälla och störningskänsliga delar, är mycket mindre eftersom utbredningsvägens förlust ökar med avståndet i kvadrat. Således kan även en till synes obetydlig mängd oavsiktliga signaler från störningskällan nå och påverka störningskänsliga delar med en relativt hög styrka.

Användning av en skärm med helt omslutande integritet, som ofta kännetecknar enskilda koaxialkablar och kontakter, är synnerligen effektivt när det gäller EMI-/RFI-skydd. Användning av koaxialkabel stör dock ofta den höga fysiska densitet som krävs i många system.

Dessutom behöver många högeffektiva system avskärmning av flera parallella signalledningar, vilket framgår av två grundläggande scenarier:

• För sammankopplingar mellan kort, som t.ex. mellan ett moderkort och ett tilläggskort, med en enda skärm runt flera ledningar

• Flera skärmade koaxialkablar i ett enda kabelpaket, med en enda kontakt för anslutning

En skyddsskärm för konstruktioner med kort-till-kort

Konceptet att använda en enda skyddsskärm för flera signalledningar är i princip okomplicerat. Flera ledningar omsluts av en skyddsskärm som viks över hylsan och kommer i kontakt med kontaktdonets hölje (figur 4).

Figur 4: Genom att linda skyddsskärmen runt signalledare avskärmas flera ledningar samtidigt. (Bildkälla: Samtec)

Tillvägagångssättet löser avskärmningsproblematiken och kräver minimalt med extra utrymme på kretskortet jämfört med en oskärmad sammankoppling. Det är viktigt att den flerpoliga kontakten med skyddsskärm tillhandahåller samma grundläggande signalprestanda som en oskärmad kontakt, samtidigt som den garanterar en tillförlitlig och konsekvent in- och urkoppling utan att kompromissa med skyddsskärmen.

Kontakten ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR och uttaget ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR från Samtec är ett exempel på en flerpolig förbindelse med skyddsskärm och är ett skärmat kopplingspar för kort-till-kort med 20 positioner (figur 5). Dessa robusta kontaktdon för hög hastighet är konstruerade för tillämpningar med höghastighetskodning (NRZ (non-return to zero) vid 28 Gbits/s och pulsamplitudmodulering med fyra nivåer (PAM4) vid 56 Gbits/s) med ett stort antal in- och urkopplingar.

Figur 5: Kontakt ERM8 med 20 positioner (vänster) och motsvarande uttag ERF8 (höger) tillhandahåller anslutning med skyddsskärm för kort-till-kort. (Bildkälla: Samtec)

Kontaktdonen har en kontaktrensningsfunktion på upp till 1,5 mm, robust låsning, helt omslutande skyddsskärm och är robusta när de dras åt sidan med en icke-normal kraft vid urkoppling. Kontaktsystemet Edge Rate från Samtec, som är utformat för tillämpningar med hög hastighet och många in- och urkopplingar, möjliggör prestanda med hög hastighet. Det är optimerat för signalintegritet genom minskad kopplingsbredd, och det har en slät, bred, formad kontaktyta för minskat slitage (figur 6).

Bild 6: För att minska signalens kopplingsbredd använder ERM8 och ERF8 det egenutvecklade kontaktsystemet Edge Rate. (Bildkälla: Samtec)

De breda formade kontakterna skapar en jämn kontaktyta, till skillnad från en stansad kontakt som passar på en skuren kant. Den släta kontaktytan minskar slitaget på kontakten och ökar kontaktsystemets hållbarhet och livslängd. Det minskar även krafterna vid in- och urkoppling.

Koaxialkablar behövs också

Koaxialkablar har en viktig och oersättlig roll i signalöverföring, men att använda sammankopplingar som bara stödjer en enstaka koaxialkabel kan vara frustrerande när flera parallella signaler behövs. För att hantera denna situation erbjuder Samtec en serie av flerpoliga, koaxialkabelkontakter med skyddsskärm som stödjer 20, 30, 40 och 50 positioner. Bland dessa finns LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, en självjusterande, tvekönad, ytmonterad kontakt med 20 positioner (figur 7).

Figur 7: LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR är en självjusterande, tvekönad ytmonterad kontakt med 20 stift och upp till 50 positioner. (Bildkälla: Samtec)

LSHM är en robust kontakt med hög densitet för användning i tillämpningar med kort-till-kort och kort-till-kabel, med valfri avskärmning för EMI-skydd. Med kontaktsystemet Razor Beam, med sitt korta stiftavstånd, sparar den tvekönade konstruktionen utrymme i alla riktningar på kretskortet. Kontakten har ett stiftavstånd på 0,5 mm och ett hörbart klick när den kopplas ihop, med fyra till sex gånger större krafter vid in- och urkoppling än typiska kontaktdon med mycket små stiftavstånd.

Denna kortmonterade kontakt utgör bara halva sammankopplingen eftersom en komplett kabel behövs (figur 8). Den färdigmonterade enheten använder också tekniken Razor Beam med ett stiftavstånd på 0,5 mm.

Figur 8: Den självjusterande koaxialkabeln Razor Beam, med korta stiftavstånd, är en komplett flerpolig lösning mellan kort och kabel. (Bildkälla: Samtec)

En kompletterande komplett kabel för den ovan nämnda flerpoliga skärmade koxialkontakten med 20 positioner är HLCD-10-40.00-TD-TH-1, en 1 meter lång kabel med självjusterande, tvekönade kontakter i varje ände (figur 9). Den använder mikrokoaxialkabel med diametern 0,00797 mm² och har en impedans på 50 Ω samt är klassificerad för 14 Gbits/s per kontaktdon.

Figur 9: Den kompletta mikrokoaxialkabeln på 50 Ω, som t.ex. HLCD-10-40.00-TD-TH-1 med 20 positioner, har självjusterande, tvekönade kontaktdon i varje ände. (Bildkälla: Samtec)

Montering

För att göra det enklare att specificera och använda dessa höghastighetskontaktdon har Samtec utökat sitt koncept med tillverkares kretskortslayouter och SPICE-modeller för kontakter genom att erbjuda referenskonstruktioner för en av de svåraste konstruktionsfrågorna på kortet; den kritiska ”BOR” (break out region) runt höghastighetskontakten. Samtecs signalintegritetstekniker har utvecklat vad de kallar en "Final Inch Break Out Region" med rekommendationer för placering av kretskortsbanor för många av deras serier av höghastighetskontakter.

Dessa konstruktionsrekommendationer baseras på användning av standardkortmaterial, flera lager och tillverkningsprocesser med låg kostnad och hög avkastning, och kräver ingen särskild behandling. Rekommendationerna kan spara tid och resurser vid konstruktion, utveckling och validering, samt balansera effektivitet med tillverkningsbarhet och kostnad.

Sammanfattning

Fullständig elektrisk avskärmning av kablage, kontakter och sammankopplingar är avgörande för signalintegritet och effektivitet i konfigurationer med både kort-till-kort och kort-till-kabel. Problemet med avskärmning är mer utmanande när det finns flera parallella signaler som måste avskärmas för att förhindra EMI-/RFI-strålning eller känslighet för dessa. Som framgår erbjuder Samtec olika serier av flerpoliga förbindelser från kort-till-kort och från koaxialkabel-till-kort för att förenkla konstruktion och tillverkning, samtidigt som en hög nivå av mekanisk och elektrisk integritet samt prestanda bibehålls.