Didelis greitis be rizikos
„Big Data“ ir panašios technologijos reikalauja vis didesnės duomenų perdavimo spartos. 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 (jungtis), kad būtų išvengta signalų trikdžių?
Visose pramonės šakose vykstantis skaitmeninimas, pavyzdžiui, pramoninis daiktų internetas (Industrial Internet of Things), „Pramonė 4.0“, „Smart Grid“ bei „Smart Home“, 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 taikymams galioja tas pats reikalavimas: signalai turi būti patikimai perduodami 20 Gbit/s ir didesniu greičiu. Be didelės spartos, „IIoT“, „Big Data“ ir kitos technologijos atneša dar vieną tendenciją: elektroniniai komponentai turi tapti ne tik vis greitesni ir pažangesni, bet ir vis mažesni. Ši nuolatinė miniatiūrizacija apsunkina kūrėjams galimybę išlaikyti privalomus Europos direktyvos EMS bandymus. Mat elektroniniai komponento modulio elementai gali veikti tiek kaip trukdžių slopintuvai, tiek kaip trukdžių šaltiniai, o jautrių komponentų išdėstymas arti vienas kito padidina tarpusavio sąveikos riziką.
„borto elektros tinklas“ apibrėžimas: decentralizuota, domenų ir zonų architektūra
Klasikinė decentralizuota automobilių architektūra susideda iš iki 100 valdymo blokų (valdymo blokas), kur kiekvienam valdymo blokui priskiriama apibrėžta funkcija: variklio valdymas, oro pagalvė, ABS / ESP, sėdynių reguliavimas, oro kondicionavimas ir kt. Kiekvienas valdymo blokas veikia savarankiškai ir su kitais valdymo blokais bendrauja per šliuzus (Gateways).
Per pastaruosius dešimtmečius decentralizuota architektūra patyrė istorinę plėtrą – kiekviena nauja funkcija buvo papildyta dar vienu valdymo bloku (valdymo blokas). Tačiau šiandien ji pasiekė savo ribas: didėjantis funkcionalumas žymiai padidina montavimo ir laidų vedžiojimo sąnaudas transporto priemonės viduje.
Domenų architektūroje valdymo blakai sugrupuojami į skirtingas funkcines sritis. Kiekviena sritis yra atsakinga už tam tikrą automobilio dalį, pavyzdžiui, variklį, informacinę ir pramoginę sistemą arba saugumą. Aukštesnio lygio srities valdymą atlieka savarankiškas aukštos našumo kompiuteris (HPC). Jis koordinuoja valdymo blokus savo srityje. Saugumo funkcinėje srityje tai būtų, pavyzdžiui, vairuotojo pagalbos sistemų, ABS/ESP ir vairo sistemų valdymo blukai.
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.
„zoninė architektūra“ atveju struktūrizavimas vyksta ne pagal domenus, o pagal vietines zonas. Pavyzdžiui, vienoje automobilio zonoje sujungiamos kelios funkcijos. Taigi tokios funkcijos kaip variklio valdymas ir informacinė-pramoginė sistema gali būti sujungtos ir apdorojamos viename zonos valdiklyje (zonos valdiklis). Įvairių zonų valdiklių (zonos valdiklis) bendrą valdymą atlieka centrinis HPC. Privalumas akivaizdus: valdymo blokų ir jų laidų skaičius sumažėja iki 50 procentų.
Per pastaruosius dešimtmečius decentralizuota architektūra patyrė istorinę plėtrą – kiekviena nauja funkcija buvo papildyta dar vienu valdymo bloku (valdymo blokas). Tačiau šiandien ji pasiekė savo ribas: didėjantis funkcionalumas žymiai padidina montavimo ir laidų vedžiojimo sąnaudas transporto priemonės viduje.
Domenų architektūroje valdymo blakai sugrupuojami į skirtingas funkcines sritis. Kiekviena sritis yra atsakinga už tam tikrą automobilio dalį, pavyzdžiui, variklį, informacinę ir pramoginę sistemą arba saugumą. Aukštesnio lygio srities valdymą atlieka savarankiškas aukštos našumo kompiuteris (HPC). Jis koordinuoja valdymo blokus savo srityje. Saugumo funkcinėje srityje tai būtų, pavyzdžiui, vairuotojo pagalbos sistemų, ABS/ESP ir vairo sistemų valdymo blukai.
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.
„zoninė architektūra“ atveju struktūrizavimas vyksta ne pagal domenus, o pagal vietines zonas. Pavyzdžiui, vienoje automobilio zonoje sujungiamos kelios funkcijos. Taigi tokios funkcijos kaip variklio valdymas ir informacinė-pramoginė sistema gali būti sujungtos ir apdorojamos viename zonos valdiklyje (zonos valdiklis). Įvairių zonų valdiklių (zonos valdiklis) bendrą valdymą atlieka centrinis HPC. Privalumas akivaizdus: valdymo blokų ir jų laidų skaičius sumažėja iki 50 procentų.
Reikalavimai HPC ir jo jungtims (jungtis)
Dėl to HPC keliami dideli reikalavimai: ne tik vaizdo duomenų apdorojimas informacinių ir pramoginių sistemų srityje, bet ir autonominio vairavimo kamerų sistemose reikalauja saugaus didelės spartos duomenų perdavimo su trumpais vėlavimais. Tuo pačiu jokiomis aplinkybėmis 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 (jungtis).
Signalo „skaitomumą“ galima iliustruoti naudojant vadinamąją akies diagramą. Ji rodo, ar perduodamas signalas imtuve gali būti vienareikšmiškai priskirtas skaitmeniniams būsenoms 1 arba 0.
Tam signalas praeina per apibrėžtą perdavimo atstumą, kurio metu jis yra užfiksuojamas osciloskopu, sutapatinamas ir pavaizduojamas. Tokiu būdu galima „vieną ant kito“ pavaizduoti visas galimas signalo kreives. 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. Taip susidaro forma, dėl kurios šis reiškinys ir pavadintas „akies diagramos“ pavadinimu.
Didelis našumas, greitas ir, svarbiausia, patikimas duomenų perdavimas – kartais esant nepalankioms aplinkos sąlygoms – yra reikalavimai, keliami įmontuojamiems jungikliams (jungtis).
Signalo „skaitomumą“ galima iliustruoti naudojant vadinamąją akies diagramą. Ji rodo, ar perduodamas signalas imtuve gali būti vienareikšmiškai priskirtas skaitmeniniams būsenoms 1 arba 0.
Tam signalas praeina per apibrėžtą perdavimo atstumą, kurio metu jis yra užfiksuojamas osciloskopu, sutapatinamas ir pavaizduojamas. Tokiu būdu galima „vieną ant kito“ pavaizduoti visas galimas signalo kreives. 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. Taip susidaro forma, dėl kurios šis reiškinys ir pavadintas „akies diagramos“ pavadinimu.
Diagramos viduryje matoma vadinamoji „Eye Mask“. Šioje srityje neįmanoma vienareikšmiškai priskirti signalo.
Abu akies diagramos rodo laidų ilgio ir impedanso įtaką, remiantis „Colibri“ jungtis pavyzdžiu, kurių greitis yra 16+ Gbit/s ir 10 Gbit/s. Šis pavyzdys iliustruoja, kaip tobulinant kontaktų konstrukciją pavyko žymiai padidinti signalo vientisumas (žr. XX pav.). Dėl trumpesnės 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 akies diagramos rodo laidų ilgio ir impedanso įtaką, remiantis „Colibri“ jungtis pavyzdžiu, kurių greitis yra 16+ Gbit/s ir 10 Gbit/s. Šis pavyzdys iliustruoja, kaip tobulinant kontaktų konstrukciją pavyko žymiai padidinti signalo vientisumas (žr. XX pav.). Dėl trumpesnės 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 poveikiams, jiems reikalinga speciali signalų apsauga. Jungtis (jungtis) šiuo atveju gali veikti tiek kaip trukdžių šaltinis, tiek kaip jų šalinimo šaltinis. Dėl šios priežasties rekomenduojama signalų apsauga naudojant ekraną (ekranavimo plokštelė), siekiant apsaugoti jautrius signalus nuo išorinių poveikių.
Tai, kad net nedidelis elektrinis impulsas gali iškreipti naudingą signalą, matyti iš 4 paveikslo. Jau po trumpo 0,5 kV impulsų pliūpsnio imtuvas nebegali aiškiai interpretuoti HDMI signalo skaitmeninių būsenų, tuo tarpu ekranuotos jungties signalo perdavimas išlieka stabilus net esant 4,4 kV įtampai.
Tai, kad net nedidelis elektrinis impulsas gali iškreipti naudingą signalą, matyti iš 4 paveikslo. Jau po trumpo 0,5 kV impulsų pliūpsnio imtuvas nebegali aiškiai interpretuoti HDMI signalo skaitmeninių būsenų, tuo tarpu ekranuotos jungties signalo perdavimas išlieka stabilus net esant 4,4 kV įtampai.
Naudojant jungiamąją induktyvumą (abipusis induktyvumas, LK) kaip EMS parametrą, jungtį galima apibūdinti atsižvelgiant į elektrines sąlygas abiejose funkcijose – šaltinyje ir priėmėjuje. Tam naudojamas vienetas „henris“. Tai taikoma tiek atsparumui trikdžiams (atsparumas trikdžiams), tiek trikdžių skleidimui (elektromagnetinė emisija). Jei žinoma indukuotoji įtampa (Uind), generatoriaus įtampa (UGen) ir generatoriaus konstanta (kGen), konkrečiai taikymui galima nustatyti atitinkamą didžiausią leistiną jungiamąją induktyvumą (abipusis induktyvumas) (L) pagal šią formulę:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Be to, „abipusis induktyvumas“ padeda vartotojui pasirinkti tinkamą jungtį (jungtis), atsižvelgiant į jos elektromagnetinį suderinamumą, ir išvengti brangių bei laiko atimamų bandymų ir klaidų metodo bandymų EMS-Labor. Pateiksime pavyzdį: HDMI signalui esant 4,4 kV įtampai buvo nustatyta konkrečiam atvejui būdinga maksimali abipusis induktyvumas vertė – 47 pikohenrių (pH). Jei vertė viršija šią ribą, signalas nebegali būti perduodamas be trikdžių.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Be to, „abipusis induktyvumas“ padeda vartotojui pasirinkti tinkamą jungtį (jungtis), atsižvelgiant į jos elektromagnetinį suderinamumą, ir išvengti brangių bei laiko atimamų bandymų ir klaidų metodo bandymų EMS-Labor. Pateiksime pavyzdį: HDMI signalui esant 4,4 kV įtampai buvo nustatyta konkrečiam atvejui būdinga maksimali abipusis induktyvumas vertė – 47 pikohenrių (pH). Jei vertė viršija šią ribą, signalas nebegali būti perduodamas be trikdžių.
Tačiau ne tik elektromagnetiniai poveikiai kelia grėsmę didelės spartos signalų perdavimui. Ypač automobilių pramonėje jungtys („jungtis“) nuolat susiduria su ekstremaliomis aplinkos sąlygomis, pavyzdžiui, vibracija ir smūgiais. Kad signalų perdavimas vyktų be pertraukų net ir atšiauriomis sąlygomis, jungtis turi būti ypač tvirta. Čia lemiamą vaidmenį atlieka visų pirma kontaktų konstrukcija, kontaktų sistema ir jungimo technologija („prijungimo technologija“).
Veiksnys: kontaktų sistema
Klasikiniai dviejų dalių jungtys (jungtis) turi peilio tipo ir spyruoklinį kontaktą (lizdinis kontaktas). Tačiau esant stipriam smūgiui, peilio tipo jungtis (kištukinė jungtis) gali atsiskirti nuo spyruoklinės jungties (lizdinė jungtis). Kad tokio kontakto nutraukimo (kontakto nutrūkis) neatsitiktų, dvipusė spyruoklinė jungtis (lizdinė jungtis) užtikrina rezervą ir taip garantuoja kontakto patikimumą, nes dėl antrosios spyruoklės signalų perdavimas bet kuriuo metu užtikrinamas bent per vieną kontaktinį tašką (5 pav.).
Dar patvaresni yra jungtys (jungtis) su vadinamąja „hermafroditinėja“ kontaktų sistema. Jos ypatumas – identiška kontaktų geometrija jungčių porose: kištuke (Plug) ir lizde (Socket). Abiejuose yra tiek spyruoklė, tiek peilis. Taigi kiekvienas kontaktas liečiasi su dviem spyruoklėmis, o kištukas ir lizdas yra tarpusavyje susipynę ir negali atsiskirti vienas nuo kito. Nors dvipusė „lizdinė jungtis“ mechaninio apkrovimo metu visada užtikrina bent vieną kontaktinį tašką, susipynusios geometrijos lyčių neutralioje kontaktų sistemoje garantuoja, kad signalas visada perduodamas per du kontaktinius taškus. Šis didelis dubliavimas užtikrina maksimalų kontaktų patikimumą (5 pav.).
Kaip jungimo technologiją (prijungimo technologija), užtikrinančią patvarų ryšį tarp spausdintinės plokštės ir jungties (jungtis), rekomenduojama naudoti paviršinio montavimo technologiją (SMT). Naudojant litavimo pastą (litavimo pasta), jungtys (jungtis) yra lituojamos prie nustatytų spausdintinės plokštės kontaktinių aikštelių – litavimo aikštelių (litavimo padų). Tik vadinamojoje reflow krosnyje (aplydomojo litavimo krosnis) litavimo medžiaga yra išlydoma, o vėliau sukietinama. Naudojant SMT galima sukurti stabilius jungimus tarp jungties ir spausdintinės plokštės. Tačiau tam turi būti įvykdyti tam tikri kriterijai: pirmiausia, norint užtikrinti standartą „IPC-A-610“ atitinkančią litavimo vieta, reikia išlaikyti tinkamą SMT išvadas, litavimo aikštelė ir litavimo pasta santykį. Tik taip sukuriamas aukštos kokybės jungimas, leidžiantis pasiekti IPC 3 klasės jungtį, t. y. tinkamą naudoti didelio našumo elektronikoje. Šioje klasėje bet kuriuo metu turi būti visiškai pašalinta signalų perdavimo sutrikimų galimybė. Optimalų „lituotoji jungtis“ galima atpažinti pagal tolygų menisko susidarymą. Kontaktas turi būti visiškai apsuptas lydmetalo menisku, kad būtų pasiektos geriausios išlaikymo 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 automobilių pramonės pokyčiai kelia vis naujus reikalavimus montuojamiems jungikliams (jungtis). 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.