Didelis greitis be rizikos
„Big Data“ ir kitos technologijos reikalauja vis didesnių duomenų perdavimo spartų. Tuo pačiu metu elektroniniai komponentai turi tapti ne tik vis greitesni ir pažangesni, bet ir vis mažesni. Dėl to kyla ypatingi duomenų perdavimo pavojai, o kartu – ir nauji iššūkiai jungčių technologijai. Į ką reikia atkreipti dėmesį renkantis jungtį, kad būtų išvengta signalų trikdžių?
Visose pramonės šakose, pavyzdžiui, pramoniniame daiktų internete, „Pramonė 4.0“, „Smart Grid“ ir „Smart Home“, vykstantis skaitmeninimas reikalauja didelės spartos duomenų perdavimo nuo jutiklio iki debesies. Tačiau ne tik jutikliams, bet ir pramoniniams valdymo įrenginiams bei kamerų sistemoms, duomenų perdavimo sistemoms ir serverių programoms taikomas reikalavimas: signalai turi būti patikimai perduodami 20 Gbit/s ir didesniu greičiu. Be didelės spartos, IIoT, didieji duomenys ir kiti reiškiniai lemia dar vieną tendenciją: elektroniniai komponentai turi tapti ne tik vis greitesni ir pažangesni, bet ir vis mažesni. Ši pažangi miniatiūrizacija apsunkina kūrėjams privalomų Europos direktyvos EMC bandymų išlaikymą. Mat elektroniniai komponentai modulyje gali veikti tiek kaip trukdžių šaltinis, tiek kaip trukdžių slopintuvas, o jautrių komponentų išdėstymas arti vienas kito padidina tarpusavio įtakos riziką.
Automobilio elektros tinklo apibrėžimas: decentralizuota, domenų ir zonų architektūra
Klasikinė decentralizuota automobilių architektūra susideda iš iki 100 valdymo blokų, kur kiekvienam valdymo blokui priskiriama tam tikra funkcija: variklio valdymas, oro pagalvės, ABS / ESP, sėdynių reguliavimas, oro kondicionavimas ir kt. Kiekvienas valdymo blokas veikia savarankiškai ir su kitais valdymo blokais bendrauja per šliuzus.
Per pastaruosius dešimtmečius decentralizuota architektūra patyrė istorinį augimą, kiekviena nauja funkcija buvo papildyta dar vienu valdymo įrenginiu. Tačiau šiandien ji pasiekė savo ribas: didėjantys funkcionalumai žymiai padidina montavimo ir laidų klojimo sąnaudas transporto priemonėje.
Domenų architektūroje valdymo įrenginiai sujungiami į skirtingas funkcines sritis. Kiekviena sritis yra atsakinga už tam tikrą automobilio sritį, pavyzdžiui, variklį, informacinę ir pramoginę sistemą arba saugumą. Aukštesnio lygio domeno valdymą atlieka savarankiškas didelio našumo kompiuteris (HPC). Jis koordinuoja valdymo blokus savo domeno ribose. Pavyzdžiui, saugumo funkcinėje srityje tai būtų vairuotojo pagalbos sistemų, ABS/ESP ir vairo sistemų valdymo blokai.
Palyginti su decentralizuota architektūra, dėl mažesnio įmontuotų valdymo blokų skaičiaus sumažėja laidų montavimo ir įrengimo sąnaudos. Taigi, palyginti su decentralizuota architektūra, domenų architektūra taip pat gali veiksmingai prisidėti prie sąnaudų ir svorio mažinimo. Be to, papildomas funkcijas galima vėliau integruoti nedidelėmis sąnaudomis.
Zonų architektūroje struktūrizavimas vyksta ne pagal domenus, o pagal vietines zonas. Pavyzdžiui, automobilyje vienoje zonoje sujungiamos kelios funkcijos. Taigi tokios funkcijos kaip variklis ir informacinė-pramoginė sistema gali būti sujungtos ir valdomos viename zoniniame valdiklyje. Įvairių zoninių valdiklių aukštesnio lygio valdymą atlieka centrinis HPC. Privalumas akivaizdus: valdymo įrenginių ir jų laidų skaičius sumažėja iki 50 procentų.
Per pastaruosius dešimtmečius decentralizuota architektūra patyrė istorinį augimą, kiekviena nauja funkcija buvo papildyta dar vienu valdymo įrenginiu. Tačiau šiandien ji pasiekė savo ribas: didėjantys funkcionalumai žymiai padidina montavimo ir laidų klojimo sąnaudas transporto priemonėje.
Domenų architektūroje valdymo įrenginiai sujungiami į skirtingas funkcines sritis. Kiekviena sritis yra atsakinga už tam tikrą automobilio sritį, pavyzdžiui, variklį, informacinę ir pramoginę sistemą arba saugumą. Aukštesnio lygio domeno valdymą atlieka savarankiškas didelio našumo kompiuteris (HPC). Jis koordinuoja valdymo blokus savo domeno ribose. Pavyzdžiui, saugumo funkcinėje srityje tai būtų vairuotojo pagalbos sistemų, ABS/ESP ir vairo sistemų valdymo blokai.
Palyginti su decentralizuota architektūra, dėl mažesnio įmontuotų valdymo blokų skaičiaus sumažėja laidų montavimo ir įrengimo sąnaudos. Taigi, palyginti su decentralizuota architektūra, domenų architektūra taip pat gali veiksmingai prisidėti prie sąnaudų ir svorio mažinimo. Be to, papildomas funkcijas galima vėliau integruoti nedidelėmis sąnaudomis.
Zonų architektūroje struktūrizavimas vyksta ne pagal domenus, o pagal vietines zonas. Pavyzdžiui, automobilyje vienoje zonoje sujungiamos kelios funkcijos. Taigi tokios funkcijos kaip variklis ir informacinė-pramoginė sistema gali būti sujungtos ir valdomos viename zoniniame valdiklyje. Įvairių zoninių valdiklių aukštesnio lygio valdymą atlieka centrinis HPC. Privalumas akivaizdus: valdymo įrenginių ir jų laidų skaičius sumažėja iki 50 procentų.
Reikalavimai HPC ir jo jungtims
Dėl to HPC keliami reikalavimai yra dideli: visų pirma vaizdo duomenų apdorojimas informacinių ir pramoginių sistemų srityje arba autonominio vairavimo kamerų sistemose reikalauja saugaus didelės spartos duomenų perdavimo su trumpais vėlavimais. Tuo pačiu metu jokiu būdu negali įvykti signalų perdavimo sutrikimų – jų patikimumas turi būti užtikrintas bet kuriuo metu.
Didelis našumas, greitas ir, svarbiausia, patikimas duomenų perdavimas – kartais esant nepalankioms aplinkos sąlygoms – yra reikalavimai, keliami įmontuojamiems jungikliams.
Signalo „skaitomumą“ galima iliustruoti naudojant vadinamąjį akių diagramą. Ji nurodo, ar perduodamas signalas imtuve gali būti aiškiai priskirtas skaitmeniniams būsenoms 1 arba 0.
Tam signalas praeina per apibrėžtą perdavimo atstumą, kur jis yra užfiksuojamas osciloskopu, sutapdinamas ir pavaizduojamas. Tokiu būdu galima pavaizduoti visus galimus signalo kitimo variantus „vienas ant kito“. Teoriškai loginių būsenų perėjimai yra begalinai staigūs, o signalo linijos eina tiksliai viena ant kitos. Dėl išorinių trikdžių ir vidinių signalo porų sutrikimų signalo kilimas išlygėja, o amplitudės aukštis pasikeičia. Susidaro pavadinimą suteikusi akies forma.
Didelis našumas, greitas ir, svarbiausia, patikimas duomenų perdavimas – kartais esant nepalankioms aplinkos sąlygoms – yra reikalavimai, keliami įmontuojamiems jungikliams.
Signalo „skaitomumą“ galima iliustruoti naudojant vadinamąjį akių diagramą. Ji nurodo, ar perduodamas signalas imtuve gali būti aiškiai priskirtas skaitmeniniams būsenoms 1 arba 0.
Tam signalas praeina per apibrėžtą perdavimo atstumą, kur jis yra užfiksuojamas osciloskopu, sutapdinamas ir pavaizduojamas. Tokiu būdu galima pavaizduoti visus galimus signalo kitimo variantus „vienas ant kito“. Teoriškai loginių būsenų perėjimai yra begalinai staigūs, o signalo linijos eina tiksliai viena ant kitos. Dėl išorinių trikdžių ir vidinių signalo porų sutrikimų signalo kilimas išlygėja, o amplitudės aukštis pasikeičia. Susidaro pavadinimą suteikusi akies forma.
Diagramos viduryje matoma vadinamoji „Eye Mask“. Šioje srityje neįmanoma aiškiai identifikuoti signalo.
Abu akių diagramos rodo laidų ilgio ir impedanso įtaką, remiantis „ept Colibri“ jungčių, kurių greitis yra 16+ Gbit/s ir 10 Gbit/s, pavyzdžiu. Šis pavyzdys iliustruoja, kaip tobulinant kontaktų dizainą pavyko žymiai padidinti signalo vientisumą (žr. XX pav.). Dėl trumpesnio laidų ilgio ir 100 Ω impedanso „Colibri“ 16+ Gbit/s versijos akis susiformuoja aiškiau nei ankstesnės „Colibri“ 10 Gbit/s versijos – signalų poras galima aiškiai interpretuoti.
Abu akių diagramos rodo laidų ilgio ir impedanso įtaką, remiantis „ept Colibri“ jungčių, kurių greitis yra 16+ Gbit/s ir 10 Gbit/s, pavyzdžiu. Šis pavyzdys iliustruoja, kaip tobulinant kontaktų dizainą pavyko žymiai padidinti signalo vientisumą (žr. XX pav.). Dėl trumpesnio laidų ilgio ir 100 Ω impedanso „Colibri“ 16+ Gbit/s versijos akis susiformuoja aiškiau nei ankstesnės „Colibri“ 10 Gbit/s versijos – signalų poras galima aiškiai interpretuoti.
Kadangi didelės spartos signalai yra ypač jautrūs elektromagnetiniams trikdžiams, jiems reikalinga speciali signalų apsauga. Jungtis gali veikti tiek kaip trikdžių šaltinis, tiek kaip jų šalinimo vieta. Dėl šios priežasties rekomenduojama naudoti signalų apsaugą su ekranuojančia plokštele, siekiant apsaugoti jautrius signalus nuo išorinių veiksnių.
Iš 4 paveikslo matyti, kad net nedidelis elektrinis impulsas gali iškreipti naudingąjį signalą. Gavėjas nebegali aiškiai interpretuoti HDMI signalo skaitmeninių būsenų jau po trumpo 0,5 kV impulsų pliūpsnio, tuo tarpu ekranuoto jungties signalo perdavimas išlieka stabilus net esant 4,4 kV.
Iš 4 paveikslo matyti, kad net nedidelis elektrinis impulsas gali iškreipti naudingąjį signalą. Gavėjas nebegali aiškiai interpretuoti HDMI signalo skaitmeninių būsenų jau po trumpo 0,5 kV impulsų pliūpsnio, tuo tarpu ekranuoto jungties signalo perdavimas išlieka stabilus net esant 4,4 kV.
Naudojant jungiamąją induktyvumą LK kaip EMK parametrą, jungtį galima apibūdinti atsižvelgiant į elektrines sąlygas abiejose funkcijose – šaltinyje ir imtuve. Tam naudojamas matavimo vienetas henris. Tai taikoma tiek atsparumui trikdžiams, tiek trikdžių skleidimui. Jei žinoma indukuotoji įtampa (Uind), generatoriaus įtampa (UGen) ir generatoriaus konstanta (kGen), konkrečiam taikymui galima nustatyti atitinkamą didžiausią leistiną jungimo induktyvumą (L) pagal šią formulę:
LK = Uind / (UGen * kGen) Be to
, jungiamoji induktyvumas padeda vartotojui pasirinkti tinkamą jungtį, atsižvelgiant į jos elektromagnetinį suderinamumą, ir išvengti brangių bei laiko atimamų bandymų ir klaidų metodų EMC laboratorijoje. Pateiksime pavyzdį: HDMI signalui esant 4,4 kV įtampai buvo nustatyta konkrečiam atvejui būdinga maksimali jungiamoji induktyvumas – 47 pikohenrio (pH). Jei vertė yra didesnė, signalas nebegali būti perduodamas be trukdžių.
LK = Uind / (UGen * kGen) Be to
, jungiamoji induktyvumas padeda vartotojui pasirinkti tinkamą jungtį, atsižvelgiant į jos elektromagnetinį suderinamumą, ir išvengti brangių bei laiko atimamų bandymų ir klaidų metodų EMC laboratorijoje. Pateiksime pavyzdį: HDMI signalui esant 4,4 kV įtampai buvo nustatyta konkrečiam atvejui būdinga maksimali jungiamoji induktyvumas – 47 pikohenrio (pH). Jei vertė yra didesnė, signalas nebegali būti perduodamas be trukdžių.
Tačiau ne tik elektromagnetiniai veiksniai kelia grėsmę greitųjų signalų perdavimui. Ypač automobilių pramonėje jungtys nuolat veikia ekstremalios aplinkos sąlygos, pavyzdžiui, vibracija ir smūgiai. Kad signalų perdavimas net ir atšiauriomis sąlygomis vyktų be pertraukų, jungtis turi būti ypač tvirta. Čia lemiamą vaidmenį atlieka visų pirma kontaktų konstrukcija, kontaktų sistema ir jungimo technologija.
Veiksnys: kontaktų sistema
Klasikiniai dviejų dalių jungtys turi peilio ir spyruoklinį kontaktus. Tačiau esant stipriam smūgiui peilio kontaktų juosta gali atsiskirti nuo spyruoklinės kontaktų juostos. Kad toks kontaktų nutraukimas neįvyktų, dvipusė spyruoklinė kontaktų juosta užtikrina rezervą ir taip garantuoja kontaktų patikimumą, nes antrasis spyruoklis užtikrina, kad signalas bet kuriuo metu būtų perduodamas bent per vieną kontaktinį tašką (5 pav.).
Dar patvaresni yra jungtys su vadinamąja „lyčių neutralia“ kontaktų sistema. Jos ypatumas – identiška kontaktų geometrija jungčių porose: kištuke ir lizde. Abiejuose yra tiek spyruoklė, tiek kontaktas. Taigi kiekvienas kontaktas liečiasi su dviem spyruoklėmis, o kištukas ir lizdas yra tarpusavyje susipynę ir negali atsiskirti vienas nuo kito. Nors dvipusė spyruoklių juosta mechaninio krūvio sąlygomis visada užtikrina bent vieną kontaktinį tašką, susipynusios geometrijos lyčių neutralioje kontaktų sistemoje garantuoja, kad signalas visada perduodamas per du kontaktinius taškus. Ši didelė redundancija užtikrina maksimalų kontaktų patikimumą (5 pav.).
Norint užtikrinti patikimą jungtį tarp spausdintinės plokštės ir jungties, rekomenduojama naudoti paviršinio montavimo technologiją (SMT). Naudojant litavimo pastą, jungtys litavimo padėkliukais pritvirtinamos prie nustatytų spausdintinės plokštės jungčių paviršių. Tik vadinamojoje reflow krosnelėje litavimo medžiaga išlydoma, o vėliau sukietėja. Naudojant SMT galima sukurti stabilius jungimus tarp jungties ir spausdintinės plokštės. Tačiau tam turi būti įvykdyti keli kriterijai: pirmiausia, norint gauti standartą IPC-A-610 atitinkančią litavimo vietą, reikia išlaikyti tinkamą litavimo kojelės, litavimo plokštelės ir litavimo pastos santykį. Tik taip sukuriamas aukštos kokybės jungimas, leidžiantis jungtį pagal IPC 3 klasę, t. y. tinkamą naudoti didelio našumo elektronikoje. Šioje klasėje bet kuriuo metu turi būti išvengta signalų perdavimo sutrikimų. Optimalų litavimo jungtį galima atpažinti pagal tolygų menisko susidarymą. Kontaktas turi būti visiškai apsuptas litavimo menisku, kad būtų pasiektos geriausios tvirtinimo jėgos ant spausdintinės plokštės. (9 pav.).
Kontaktinių kojelių koplanariškumas yra būtina sąlyga puikiam sujungimui užtikrinti; šis parametras tikrinamas 100 % automatizuotu būdu gamybos proceso metu.
Išvada
Dabartiniai pokyčiai automobilių pramonėje kelia vis naujus reikalavimus montuojamiems jungikliams. Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad dėl sumažėjusio valdymo blokų skaičiaus montuojamų jungiklių vaidmuo tampa vis mažiau svarbus. Tačiau atidžiau pažvelgus paaiškėja, kad būtent dėl šio perėjimo prie centrinio duomenų apdorojimo naudojant HPC jų vaidmuo tampa vis svarbesnis: signalų perdavimo patikimumas dar niekada nebuvo toks svarbus kaip šiandien.