高速且无风险
大数据等技术对数据速率的要求越来越高。与此同时,电子元件不仅需要越来越快、越来越智能,还必须越来越小。这给数据传输带来了特殊风险,也给连接技术带来了新的挑战。在选择连接器,您需要注意哪些方面才能避免信号干扰?

各行业日益深入的数字化进程——例如工业物联网、工业4.0、智能电网以及智能家居——要求从传感器到云端实现高速数据传输。不仅对于传感器,对于工业控制系统、工业摄像系统、数据通信以及服务器应用而言,同样需要以20 Gbit/s及更高的速率可靠地传输信号。 除了高速传输外,工业物联网(IIoT)、大数据等技术还带来另一项趋势:电子元件不仅需要越来越快、越来越智能,还必须越来越小。这种日益加剧的微型化趋势,使得开发人员更难通过欧洲指令规定的强制性EMC。 这是因为,一个组件中的电子元件既可能作为干扰吸收源,也可能作为干扰源;而敏感元件的紧密排列则增加了相互干扰的风险。
车载网络(整车电气系统)定义:分布式、域和区域架构

汽车中传统的分散式架构由多达100个电子控制单元(电子控制单元)组成,每个电子控制单元都被分配了特定的功能:发动机控制、安全气囊、ABS/ESP、座椅调节、空调等……每个电子控制单元独立运行,并通过网关与其他电子控制单元进行通信。
在过去的几十年里,这种分散式架构经历了历史性的增长,每增加一项新功能,就会新增一个电子控制单元。然而,如今这种架构已达到其极限:功能的不断增加显著增加了车内安装和布线的复杂度。
在域架构中,电子控制单元被整合到不同的功能领域中。 每个域负责车辆的特定领域,例如驱动、信息娱乐或安全。域的上级控制由一台独立的高性能计算机(HPC)执行。该计算机负责协调其域内的电子控制单元。以安全功能领域为例,其中包括驾驶辅助系统、ABS/ESP和转向系统的电子控制单元。
与分散式架构相比,由于安装的电子控制单元数量减少,布线和安装工作量也相应降低。因此,与分散式架构相比,域架构还能有效降低成本并减轻重量。此外,后续还可以以较低的成本集成额外功能。
在分区架构(区域架构)中,结构划分并非基于域,而是基于局部分区。 例如,在汽车的一个区域内,会将多种功能进行整合。因此,驱动和车载娱乐系统等功能完全可以整合到一个区域控制器(区域控制器)中进行处理。各个区域控制器的上级控制则由一台中央高性能计算机(HPC)负责。其优势显而易见:电子控制单元及其布线数量最多可减少50%。
在过去的几十年里,这种分散式架构经历了历史性的增长,每增加一项新功能,就会新增一个电子控制单元。然而,如今这种架构已达到其极限:功能的不断增加显著增加了车内安装和布线的复杂度。
在域架构中,电子控制单元被整合到不同的功能领域中。 每个域负责车辆的特定领域,例如驱动、信息娱乐或安全。域的上级控制由一台独立的高性能计算机(HPC)执行。该计算机负责协调其域内的电子控制单元。以安全功能领域为例,其中包括驾驶辅助系统、ABS/ESP和转向系统的电子控制单元。
与分散式架构相比,由于安装的电子控制单元数量减少,布线和安装工作量也相应降低。因此,与分散式架构相比,域架构还能有效降低成本并减轻重量。此外,后续还可以以较低的成本集成额外功能。
在分区架构(区域架构)中,结构划分并非基于域,而是基于局部分区。 例如,在汽车的一个区域内,会将多种功能进行整合。因此,驱动和车载娱乐系统等功能完全可以整合到一个区域控制器(区域控制器)中进行处理。各个区域控制器的上级控制则由一台中央高性能计算机(HPC)负责。其优势显而易见:电子控制单元及其布线数量最多可减少50%。
对HPC及其连接器

由此对HPC提出的要求非常高:尤其是信息娱乐领域中的成像数据处理,或是自动驾驶的摄像头系统,都需要在低延迟条件下实现安全、高速的数据传输。同时,信号传输绝不能出现任何中断——其可靠性必须在任何时候都得到保障。
因此,高性能、快速且尤为关键的是可靠的数据传输——有时甚至要在恶劣的环境条件下实现——这些也正是对所安装的连接器提出的要求。
信号的“可读性”可通过所谓的眼图来直观展示。它表明,传输的信号在接收端能否明确地映射为数字状态1或0。
为此,信号会经过一段定义好的传输路径,在此过程中由示波器捕获、叠加并显示。 这样,所有可能的信号波形都可以“重叠”显示。在理论上,逻辑状态的过渡是无限陡峭的,且信号线会精确地重叠在一起。由于外部干扰因素以及信号对的内部影响,信号上升斜率会变缓,振幅高度也会发生变化。由此形成了该图示特有的“眼睛”形状,这也是其名称的由来。
因此,高性能、快速且尤为关键的是可靠的数据传输——有时甚至要在恶劣的环境条件下实现——这些也正是对所安装的连接器提出的要求。
信号的“可读性”可通过所谓的眼图来直观展示。它表明,传输的信号在接收端能否明确地映射为数字状态1或0。
为此,信号会经过一段定义好的传输路径,在此过程中由示波器捕获、叠加并显示。 这样,所有可能的信号波形都可以“重叠”显示。在理论上,逻辑状态的过渡是无限陡峭的,且信号线会精确地重叠在一起。由于外部干扰因素以及信号对的内部影响,信号上升斜率会变缓,振幅高度也会发生变化。由此形成了该图示特有的“眼睛”形状,这也是其名称的由来。

在图表中央可以看到所谓的“眼图”(Eye Mask)。在此区域内无法明确识别信号。
这两幅眼图以 Colibri-连接器(16+ Gbit/s 和 10 Gbit/s 型号)为例,展示了线长和阻抗的影响。该示例说明了通过进一步优化触点设计,如何显著提升了信号完整性(参见图 XX)。 得益于更短的线长和100Ω的阻抗,Colibri 16+ Gbit/s型号的“眼图”比其前代10 Gbit/s型号更清晰——信号对可被明确识别。
这两幅眼图以 Colibri-连接器(16+ Gbit/s 和 10 Gbit/s 型号)为例,展示了线长和阻抗的影响。该示例说明了通过进一步优化触点设计,如何显著提升了信号完整性(参见图 XX)。 得益于更短的线长和100Ω的阻抗,Colibri 16+ Gbit/s型号的“眼图”比其前代10 Gbit/s型号更清晰——信号对可被明确识别。

由于高速信号特别容易受到电磁干扰的影响,因此需要特殊的信号保护。在此过程中,连接器(连接器)既可能作为干扰源,也可能作为干扰吸收体。因此,建议使用屏蔽板(屏蔽片)进行信号保护,以保护敏感信号免受外部影响。
如图4所示,即使是一个微小的电脉冲也会导致有效信号失真。 接收器在经历0.5 kV的短暂突发脉冲后,便无法准确识别HDMI信号的数字状态;而屏蔽型连接器即使在4.4 kV的电压下,其信号传输仍能保持稳定。
如图4所示,即使是一个微小的电脉冲也会导致有效信号失真。 接收器在经历0.5 kV的短暂突发脉冲后,便无法准确识别HDMI信号的数字状态;而屏蔽型连接器即使在4.4 kV的电压下,其信号传输仍能保持稳定。

通过将耦合电感(互感,LK)作为EMC,可以结合源极和汇极两种功能下的电气特性来描述该连接器。 此处采用亨利(Henry)作为单位。这既适用于抗干扰能力(抗扰度),也适用于干扰发射(电磁发射)。若已知感应电压(Uind)、发生器电压(UGen)以及发生器常数(kGen),则可根据以下公式确定特定应用中最大允许耦合电感(互感,L):
LK = Uind / (UGen * kGen)
此外,互感还能帮助用户根据电磁兼容性要求选定合适的连接器,从而避免在EMC-Labor中进行耗时且成本高昂的试错测试。 以下是一个示例:对于HDMI信号,在4.4 kV的电压下,测得该特定情况下的最大互感47皮亨利(pH)。如果该值超过此限,则信号将无法无干扰地传输。
LK = Uind / (UGen * kGen)
此外,互感还能帮助用户根据电磁兼容性要求选定合适的连接器,从而避免在EMC-Labor中进行耗时且成本高昂的试错测试。 以下是一个示例:对于HDMI信号,在4.4 kV的电压下,测得该特定情况下的最大互感47皮亨利(pH)。如果该值超过此限,则信号将无法无干扰地传输。
然而,不仅电磁干扰会危及高速信号的传输。 特别是在汽车应用中,连接器(连接器)还会反复受到振动和冲击等极端环境条件的考验。为了确保信号传输即使在恶劣环境下也能不中断地进行,连接器必须具备极高的坚固性。在此过程中,触点设计、触点系统和连接技术(端接技术)起着决定性作用。
影响因素:接触系统

经典的两件式插头连接器(连接器)通常包含一个刀片式触点(Messer)和一个弹簧式触点(母端子)。但在遭受强烈冲击时,刀片式触点排(公连接器)可能会从弹簧式触点排(母连接器)上脱离。为防止此类接触中断(瞬断)发生,可通过使用双面弹簧式触点排(母连接器)来实现冗余,从而确保接触可靠性——因为第二根弹簧可确保信号传输在任何时候至少通过一个接触点进行(图5)。

相比之下,采用所谓“雌雄同体”接触系统的连接器(连接器)则更为坚固。其特点在于插头对(PlugSocket)的接触几何形状完全相同。因此,两者均配备弹簧和触点。这样,每个引脚都由两个弹簧接触,插头和插座相互交错,无法彼此分离。 虽然双面母连接器在承受机械载荷时总能确保至少有一个接触点,但中性接点系统中相互交错的几何结构则保证了信号传输始终通过两个接触点进行。这种高冗余度从而实现了最大的接触可靠性(图5)。

作为在电路板与连接器 之间建立持久连接的端接技术 ,建议采用表面贴装技术(Surface-Mount-Technology,SMT )。通过焊膏 ,将连接器 焊接到电路板上预定的焊盘上。只有在所谓的回流焊炉 中,焊料才会被熔化并随后固化。 通过SMT ,可在插头与电路板之间实现稳定的连接。但为此必须满足若干条件:首先,为了符合IPC-A-610标准(焊点 ),必须保持焊脚 、焊盘 和焊膏 之间的正确比例。只有这样,才能建立高质量的连接,从而实现符合IPC 3级标准的连接,即适用于高性能电子设备。 在此等级下,必须随时杜绝信号传输中的故障。最佳的焊接连接 可通过均匀的焊料凹面形成来识别。接触点必须被焊料凹面完全包围,以在印刷电路板上获得最佳的保持力。(图9)。
触点脚的共面性是实现优质连接的前提,该参数会在生产过程中接受100%全自动检测。
结论

汽车行业的最新发展不断对车载连接器提出新的要求。乍看之下,由于电子控制单元数量的减少,车载连接器的角色似乎正在退居次要地位。但仔细观察就会发现,正是由于向基于HPC(高性能计算)的中央数据处理转型,其作用才变得愈发重要:信号传输的可靠性从未像今天这样重要。

