高速且无风险
大数据等技术对数据传输速率的要求日益提高。与此同时,电子元件不仅需要变得越来越快、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,同时也给连接技术带来了新的挑战。在选择连接器时,您需要注意哪些方面才能避免信号干扰?

各行各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——都需要从传感器到云端的高速数据传输。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,工业物联网、大数据等技术还带来另一项趋势:电子元件不仅必须越来越快、越来越智能,还必须越来越小。这种持续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电磁兼容性(EMC)测试。 由于单个组件中的电子元件既可能成为干扰吸收源,也可能成为干扰源,而敏感元件的紧密排列则进一步增加了相互干扰的风险。
车载网络的定义:分布式、域和区域架构

汽车中的传统分散式架构由多达100个控制单元组成,每个控制单元都负责特定功能:发动机控制、安全气囊、ABS/ESP、座椅调节、空调系统等。每个控制单元独立运行,并通过网关与其他控制单元进行通信。
在过去的几十年里,这种分散式架构经历了历史性的发展,每增加一项新功能,就会新增一个控制单元。然而,如今这种架构已触及其极限: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,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、车载娱乐或安全。 每个域的上级控制由一台独立的高性能计算机(HPC)执行,负责协调该域内的所有控制单元。以安全功能域为例,这包括驾驶辅助系统、ABS/ESP 以及转向系统的控制单元。
与分散式架构相比,由于安装的控制单元数量减少,布线和安装工作量也随之降低。 与分散式架构相比,域架构还能有效降低成本和重量。此外,后续可轻松集成额外功能。
在分区架构中,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中进行处理。而对各个区域控制器的上级控制则由一个中央HPC负责。其优势显而易见:控制单元及其布线可减少多达50%。
在过去的几十年里,这种分散式架构经历了历史性的发展,每增加一项新功能,就会新增一个控制单元。然而,如今这种架构已触及其极限: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,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、车载娱乐或安全。 每个域的上级控制由一台独立的高性能计算机(HPC)执行,负责协调该域内的所有控制单元。以安全功能域为例,这包括驾驶辅助系统、ABS/ESP 以及转向系统的控制单元。
与分散式架构相比,由于安装的控制单元数量减少,布线和安装工作量也随之降低。 与分散式架构相比,域架构还能有效降低成本和重量。此外,后续可轻松集成额外功能。
在分区架构中,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中进行处理。而对各个区域控制器的上级控制则由一个中央HPC负责。其优势显而易见:控制单元及其布线可减少多达50%。
对HPC及其连接器的要求

这给HPC提出了极高的要求:尤其是车载娱乐系统中的成像数据处理,以及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中断——其可靠性必须在任何时候都得到保障。
因此,高性能、高速且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——这些也成为了对所安装连接器的要求。
信号的“可读性”可通过所谓的眼图直观展示。它表明传输的信号在接收端能否明确对应数字状态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。理论上,逻辑状态的过渡是无限陡峭的,信号线会精确地重叠在一起。由于外部干扰因素和信号对的内部影响,信号上升斜率变缓,振幅高度发生变化。由此形成了其得名的“眼图”形状。
因此,高性能、高速且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——这些也成为了对所安装连接器的要求。
信号的“可读性”可通过所谓的眼图直观展示。它表明传输的信号在接收端能否明确对应数字状态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。理论上,逻辑状态的过渡是无限陡峭的,信号线会精确地重叠在一起。由于外部干扰因素和信号对的内部影响,信号上升斜率变缓,振幅高度发生变化。由此形成了其得名的“眼图”形状。

在图的中间部分可以看到所谓的“眼图”。在此区域内无法明确识别信号。
这两幅眼图以 ept Colibri 连接器(16+ Gbit/s 和 10 Gbit/s 版本)为例,展示了线长和阻抗的影响。该示例说明了通过改进触点设计,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 阻抗,Colibri 16+ Gbit/s 型号的眼图比其 10 Gbit/s 的前代型号更清晰——信号对可被明确识别。
这两幅眼图以 ept Colibri 连接器(16+ Gbit/s 和 10 Gbit/s 版本)为例,展示了线长和阻抗的影响。该示例说明了通过改进触点设计,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 阻抗,Colibri 16+ Gbit/s 型号的眼图比其 10 Gbit/s 的前代型号更清晰——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,因此需要特殊的信号保护。连接器既可能成为干扰源,也可能成为干扰接收端。因此,建议采用屏蔽板进行信号保护,以防止敏感信号受到外部干扰。
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;而采用屏蔽设计的连接器,即使在4.4 kV的电压下,信号传输依然保持稳定。
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;而采用屏蔽设计的连接器,即使在4.4 kV的电压下,信号传输依然保持稳定。

将耦合电感 LK 作为电磁兼容性(EMC)参数,可通过分析源端和汇端两个功能端的电气特性来描述连接器。为此采用亨利(Henry)作为单位。这既适用于抗干扰能力,也适用于干扰发射。 若已知感应电压(Uind)、发生器电压(UGen)以及发生器常数(kGen),则可通过以下公式确定该应用中具体的最大允许耦合电感(L):
LK = Uind / (UGen * kGen)
耦合电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实验室进行耗时且昂贵的试错测试。 举例说明:对于 HDMI 信号,在 4.4 kV 电压下测得该应用场景的最大耦合电感为 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)
耦合电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实验室进行耗时且昂贵的试错测试。 举例说明:对于 HDMI 信号,在 4.4 kV 电压下测得该应用场景的最大耦合电感为 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,连接器还反复面临振动和冲击等极端环境条件。为了确保信号传输即使在恶劣环境下也能不间断地进行,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起着至关重要的作用。
影响因素:接触系统

经典的两件式插头连接器通常包含一个刀片触点和一个弹簧触点。 但在受到强烈冲击时,刀片触点排可能会从弹簧触点排上脱落。为避免此类接触中断,可采用双面弹簧触点排来提供冗余,从而确保接触可靠性,因为第二根弹簧可确保信号传输始终至少通过一个接触点进行(图5)。

相比之下,采用所谓“无性别”接触系统的连接器则更为坚固。其特点在于插头和插座这对接触件的几何结构完全相同。因此,两者均配备弹簧和触点。这样,每个引脚都由两根弹簧接触,插头和插座相互交错,无法彼此分离。 虽然双面弹簧排在承受机械载荷时总能确保至少有一个接触点,但中性接触系统中相互交错的几何结构能确保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)。

作为实现印刷电路板与连接器之间持久连接的连接技术,建议采用表面贴装技术(SMT)。在此过程中,利用焊膏将连接器焊接到印刷电路板上预先定义的连接区域——即焊盘上。只有在所谓的回流炉中,焊料才会被熔化并随后固化。 通过SMT技术,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标准的焊点,必须保持焊脚、焊盘和焊膏之间的正确比例。只有这样,才能形成高质量的连接,从而达到IPC 3级标准,即适用于高性能电子设备。 在此等级下,必须始终杜绝信号传输故障。最佳的焊接连接可通过均匀的焊料弧形来识别。接触点必须被焊料弧形完全包围,以在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对车载连接器提出了日益严苛的要求。乍看之下,随着车载控制单元数量的减少,连接器的作用似乎正在退居次要地位。但仔细分析后会发现,正是由于向基于高性能计算(HPC)的中央数据处理模式的转变,连接器的作用才愈发重要:信号传输的可靠性从未像今天这样至关重要。

