Ajoneuvojen nopeaa kokoonpanoa koskevien vaatimusten ja käyttövaatimusten täyttäminen korttien välisissä liittimissä

Ajoneuvojärjestelmien suunnittelijoiden on valittava huolellisesti liittimet, jotta niiden fyysinen ja sähköinen toiminta säilyy luotettavana ympäristöissä, joissa liittimiin kohdistuu äärimmäisiä lämpötiloja, kosteutta, likaantumista ja tärinää. Ajoneuvot ovat yhä enenevissä määrin tehokkaita ”pyörillä liikkuvia tietokoneita”, mikä vaikeuttaa niiden suorituskyky- ja luotettavuusvaatimusten täyttämistä. Liitinten on tuettava suurempaa määrää siirtojohtimia pienemmissä tiloissa sekä useiden gigabittien siirtoa sekunnissa, mikä on tarpeen eri standardien, kuten 10GBASE-T1 ja PCI Express 3 (PCIe 3.0), käyttämiseksi.

Ajoneuvovalmistajien suuret tuotantomäärät lisäävät haastetta entisestään, sillä sähkölaitteita kokoavien yritysten täytyy käyttää nopeita kokoonpanokoneita pysyäkseen mukana tahdissa. Tuotantomäärät ja saanto on kuitenkin vaikea pitää korkeina samalla, kun liittimet pitää asentaa tarkasti ja siten, että ne voidaan myöhemmin yhdistää ongelmitta.

Näihin haasteisiin voidaan vastata fyysisesti ja sähköisesti kestävillä liittimillä ja kelluvilla koskettimilla, jotka sietävät automaattisessa kokoonpanossa tapahtuneita asemointi- ja kohdistusvirheitä.

Tässä artikkelissa kuvaillaan ajoneuvoliitinten sähköisten signaalien, fyysisen toimivuuden ja valmistuksen vaatimuksia. Sitten artikkelissa tutustutaan JAE Electronicsin kelluviin liittimiin, jotka auttavat suunnittelijoita täyttämään nämä vaatimukset. Artikkelissa käsitellään myös nopeita tiedonsiirtostandardeja sekä sopivien liitinten valintaa ajoneuvoissa käytettäviä nopeita tiedonsiirtoprotokollia, kuten 10GBASE-T1 ja PCI Express 3 (PCIe 3.0), varten.

Nopeat tiedonsiirtoprotokollat lyhyesti

10GBASE-T1 kuuluu 10 Gigabit Ethernet (10 GbE) ‑standardiperheeseen, joka mahdollistaa Ethernet-kehysten siirtämisen 10 gigabitin nopeudella sekunnissa (Gbps). 10GBASE-T1 on ”Automotive Ethernet” ‑ratkaisu, jota käytetään parikaapeleilla jopa 15 metrin etäisyyksillä. 10 Gbps on tällä hetkellä nopein ajoneuvojen tiedonsiirtostandardi ja se mahdollistaa sellaisia sovelluksia kuten autonominen ajaminen.

PCIe 3.0 on toinen nopean tiedonsiirron laajennussarjaväylästandardi. Sen tiedonsiirtonopeus on jopa 8 gigasiirtoa sekunnissa (GTps). Huipputason x16-kaistan toteutuksessa 8 GTps merkitsee yhteensä 126 Gbps:n tiedonsiirtonopeutta.

Tätä teknologiaa käytetään perinteisesti tietokoneiden nopeana laajennusväylänä, ja sitä otetaan nyt käyttöön tulevaisuuden ajoneuvosovelluksiin, sillä laitteisto on suunniteltu varmistamaan tietopakettien saapumisen kohteeseen. Tämä tekee siitä hyvin luotettavan järjestelmän, joka sopii autonomiseen ajamiseen.

Liittimet nopeaan tiedonsiirtoon ajoneuvoissa

Nopeat tiedonsiirtoprotokollat edellyttävät laadukkaita liittimiä. Niiden on taattava kestävä ja luotettava yhteys signaalin eheyttä varten, ja niiden irrottamisen ja uudelleenkytkennän on oltava helppoa, koska niitä käytetään vuosien ajan. Niissä on myös oltava paljon koskettimia ja liittimiä pienessä tilassa monikaistaisen liitännän toteuttamiseksi kompaktilla tavalla.

JAE Electronics MA01 on esimerkki modernista liitinsarjasta, joka tukee nopeita tiedonsiirtoprotokollia, kuten 10GBASE-T1 ja PCIe 3.0. Näiden liitinten ominaisuuksiin kuuluvat taivutetut kahden kontaktipisteen koskettimet, jotka parantavat mekaanisen ja sähköisen liitännän luotettavuutta myös silloin, kun ne altistuvat ajoneuvosovelluksille tyypillisille iskuille, tärinälle ja äärimmäisille lämpötiloille (kuva 1).

Kuva 1: MA01-sarjassa käytetään kahden kontaktipisteen liittimiä, jotka auttavat säilyttämään johtavuuden iskujen ja tärinän aikana. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

MA01-sarjan liittimien pinoamiskorkeudet ovat 8–30 mm (kuva 2), ja ne tukevat 10 GBASE-T1:n ja PCIe 3.0:n vaatimaa 8 Gbps:n tiedonsiirtoa. Siksi ne sopivat ihanteellisesti korttien välisiin digitaalisiin ohjausyksiköihin ajoneuvoissa. Liitinten kytkentä- ja irrotusvoimat ovat alhaiset, ja niiden muotoilu on suunniteltu estämään virhekytkentä. Liittimillä on laaja käyttölämpötila-alue −40 ... 125 °C.

Kuva 2: MA01-sarjan liittimiä on saatavilla pinoamiskorkeuksilla 8–30 mm. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

Yksi sarjaan kuuluvista liittimistä on MA01F030VABBR300. Se on ajoneuvoluokan nopean tiedonsiirron korttien välinen liitin. Sen koko on 20,925 x 8,8 x 12,3 mm ja se tarjoaa 30 kytkentäpistettä 0,635 mm:n välein. Koskettimet on valmistettu kupariseoksesta, joka on päällystetty vähintään 0,1 mikrometrin (µm) kultakerroksella. Liittimen virtaluokitus on 0,5 A ja jänniteluokitus 50 V (AC). Se on suunniteltu kestämään jopa 100 kytkentäsykliä.

MA01F030VABBR300 on suunniteltu kytkettäväksi MA01R030VABBR600-liittimeen korttien välisiä kytkentöjä varten nopeissa ajoneuvosovelluksissa (kuva 3).

Kuva 3: MA01F030VABBR300-liittimessä (alla) on 30 kytkentäpistettä, ja se on suunniteltu muodostamaan MA01R030VABBR600-liittimen kanssa kestävä, luotettava ja nopea korttien välinen liitäntä. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

Kokoonpanohaasteisiin vastaaminen

Sähkölaitteiden suuret tuotantomäärät vaativat kokoonpanorobottien käyttöä. Automaattisiin kokoonpanokoneisiin liittyy kuitenkin mekaanisia rajoitteita. Tämä voi aiheuttaa jossain määrin vaihtelua komponenttien asemoinnissa. Pienet asemointivirheet ovat tyypillisiä, eivätkä ne hankaloita aktiivisten tai passiivisten komponenttien toimintaa, mutta ne voivat aiheuttaa ongelmia kytkettäessä liittimiä, joissa on useita kytkentäpisteitä vieri vieressä. Ongelmaa pahentaa se, että tyypillisissä liittimissä ei ole litteitä pintoja, joista kokoonpanokoneen imusuutin saisi tukevan otteen.

Kun kosketinten välit ovat tyypillisesti alle millimetrin luokkaa, pienikin kohdistusvirhe liitinten kytkennässä voi vaurioittaa koskettimia.

Tämän ratkaisemiseksi JAE MA01F030VABBR300-liittimen kelluva kosketinrakenne sietää ±0,5 mm:n liikkeen X- ja Y-akseleilla. Tämä kelluva rakenne kompensoi automaattisten kokoonpanokoneiden asemointi- ja kohdistusvirheitä. Liitinten irrotettavat suojukset mahdollistavat tukevan kiinnittämisen kokoonpanokoneiden imusuuttimilla. Suojus myös ehkäisee lian pääsemistä liitäntäalueelle liittimen asennuksen aikana (kuvat 4 ja 5).

Kuva 4: MA01F030VABBR300 muodostaa tämän MA01-liitännän alaosan, ja sen kelluva rakenne mahdollistaa ±0,5 mm:n liikkeen X- ja Y-akseleilla. Tämä auttaa kompensoimaan kokoonpanon aikana tapahtuvia kohdistusvirheitä. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

Kuva 5: MA01-sarja toimitetaan irrotettavalla suojuksella, josta kokoonpanokoneen imusuutin saa tukevan otteen. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

Korttien välisen liitännän naaraspuoli MA01R030VABBR600 on jäykkä liitin, sillä vain liitännän yhden puolen tarvitsee kellua asennustoleranssien kompensoimiseksi.

Myös hyvä näkyvyys MA01-sarjan liittimen ja piirilevykortin välisiin juotoskohtiin helpottaa kokoonpanoprosessia. Perinteisissä liittimissä nämä juotoskohdat tyypillisesti jäävät piiloon, mikä vaikeuttaa tarkistamista ja lisää käytönaikaisen vikaantumisen riskiä (kuva 6).

Kuva 6: Sivusta kiinnitettävän MA01-sarjan liittimen rakenne helpottaa kortille juotettavien juotoskohtien laadun tarkistamista. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

Ongelmaton kytkentä

MA01-sarjan kelluva liitinteknologia auttaa kompensoimaan asemointivirheitä, mutta liitinten manuaalisessa kytkennässä voi tapahtua suurempia kohdistusvirheitä. Näin voi tapahtua, kun liittimen puoliskot sisältävät piirilevykortit tuodaan yhteen sokkona, mikä voi helposti johtaa herkkien kosketinten kohdistusvirheeseen. Ja mikä pahempaa, liitin saattaa tuntua oikein kytketyltä, vaikka koskettimet olisivat vaurioituneet prosessin aikana. Tällainen kohdistusvirhe voi tapahtua sekä X- että Y-akselilla.

JAE-liitinten ohjaintapit estävät virhekytkennän, vaikka liitinten kohdistus olisi kytkennän aikana huomattavasti poikkeava X- ja/tai Y-akselilla. Ohjaintappi on valettu liittimen runkoon, ja se ohjaa liittimen kaksi puoliskoa oikeaan kytkentäasentoon (kuvat 7, 8 ja 9).

Kuva 7: JAE Electronics MA01 ‑sarjan ohjaintappi korjaa X-akselin kohdistusvirheen ohjaamalla liittimen yläpuoliskon pystyasentoon. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

Kuva 8: Ohjaintapit ehkäisevät kohdistusvirheitä Y-akselilla, jotta koskettimet eivät vaurioituisi. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

Kuva 9: Kun kaksi piirilevykorttia tuodaan yhteen sokkona liitinten kytkemiseksi, ohjaintapit kompensoivat jopa 1 mm:n vaakasuuntaisen kohdistusvirheen. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

Kytkennän jälkeen liitin sietää kelluvan rakenteensa ansiosta ajoneuvosovelluksissa tyypillisiä iskuja ja tärinää ilman kosketinten vaurioitumisriskiä.

Liittimen valinta nopeaan tiedonsiirtoon

Nopeiden tiedonsiirtojärjestelmien suunnittelu on mutkikasta. Jo ennen kuin aletaan harkitsemaan tietyn liittimen signaalin eheyttä, piirilevykortin asettelussa on huomioitava sellaisia tekijöitä kuten tavoiteimpedanssit sekä nopeiden differentiaalisten signaalikanavien reititys tavalla, joka rajoittaa ylikuulumista ja häviöitä. Kun nämä ja muut tärkeät suunnittelutekijät on otettu huomioon, liittimellä voi olla suuri vaikutus järjestelmän lopulliseen kaistanleveyteen, tiedonsiirtonopeuteen ja signaalin eheyteen.

Nopean liittimen valinnassa on ensiksi tarkistettava käytettävän tiedonsiirtoprotokollan enimmäiskaistanleveys. Ei ole järkevää suunnitella huippunopeaa järjestelmää, jos liitin ei tue protokollan käyttämää taajuutta. Yksinkertainen tapa valita sopiva liitin on tarkistaa, että se on sertifioitu yhteensopivaksi käytettävän protokollan kanssa. Tällöin voidaan luottaa siihen, että liitin on suunniteltu mahdollistamaan maksimi huipputiedonsiirtonopeus ja kaistanleveys.

Vaatimukset täyttävässä liittimessä on myös oikea impedanssi nopeaa tiedonsiirtoprotokollaa varten (tyypillisesti 50 ohmia). Muut valintakriteerit, kuten liittimen materiaali, asennustyyppi ja mitat, ovat tärkeitä, mutta ne eivät vaikuta yhtä paljon signaalin eheyteen.

Vaikka sertifiointi antaa suunnittelijalle luottamusta liittimen käyttökelpoisuudesta, on tärkeää testata valittu liitinehdokas testikortilla, jonka layout on samankaltainen tai identtinen lopulliseen tuotteeseen nähden. Liittimen tekniset tiedot ja liittimen testaaminen erillään eivät välttämättä tuo esille mahdollisia todellisessa käytössä esiintyviä ongelmia signaalin eheydessä. Testaaminen prototyyppikokoonpanolla auttaa havaitsemaan signaalin heijastumiseen ja/tai vääristymiseen liittyvät ongelmat.

Tärkeimmät mittaukset liittimen signaalin eheyden määrittämiseksi ovat sirontaparametrit ja silmäkuvio. Sirontaparametrit kuvaavat signaalin heijastus- ja kytkemishäviöitä taajuustasossa. Signaalin eheyden muutosta voidaan arvioida mittaamalla parametrit toimivasta laitteesta liittimen kanssa ja ilman, ja vertaamalla tuloksia toisiinsa.

Oskilloskoopin muodostama silmäkuvio visualisoi piirin digitaalista suorituskykyä. Se on vakiomenetelmä häviöiden, ylikuulumisen, symbolien välisten häiriöiden (Intersymbol Interference, ISI) ja bittivirhemäärien visualisoimiseen. Testit tulee tässäkin tapauksessa suorittaa liittimen kanssa ja ilman, jotta sen vaikutus signaalin eheyteen voidaan mitata.

Yhteenveto

Ajoneuvojen korttien välisten liitinten korkeiden fyysisten ja sähköisten suorituskykyvaatimusten täyttäminen on haasteellista samalla, kun pitää välttää liitinten vaurioitumista automaattisessa nopeassa kokoonpanossa tapahtuvien asemointivirheiden ja kohdistustoleranssien vuoksi. Suunnittelijat voivat ratkaista näitä haasteita JAE Electronicsin MA01-sarjan liittimillä.

Kuten tässä artikkelissa on esitetty, MA01-liittimet tarjoavat kestävän ja luotettavan ratkaisun matalalla kytkentä- ja irrotusvastuksella ja ne ovat yhteensopivia useita gigabittejä sekunnissa vaativien tiedonsiirtoprotokollien kanssa. Lisäksi liittimet on suunniteltu tukemaan nopeaa kokoonpanoa. Sellaiset ominaisuudet kuten irrotettavat suojukset, kelluvat liittimet ja ohjaintapit mahdollistavat suuremmat toleranssit korttiasennuksessa ja korttien välisten kytkentöjen tekemisessä sokkona ilman kohdistusvirheiden ja kosketinvaurioiden riskiä.