Luo suojatuilla liittimillä luotettava, huippunopea liitäntä tiiviissä ja kompaktissa koossa

Sähköinen suojaus on suunnitteluun ja valmistukseen liittyvä näkökohta, joka on ollut insinöörien huomioitavien asioiden listalla jo elektroniikan alkuajoista lähtien. Siitä tulee kuitenkin yhä hankalampaa kun tiedonsiirtonopeudet kasvavat ja järjestelmistä tehdään pienempiä ja tiiviimmin integroituja ja signaalijohtoja on yhä enemmän ja yhä lähempänä toisiaan. Nämä trendit monimutkaistavat huomattavasti muutoin yksinkertaista käsitettä: ulkoisten ei-haluttujen signaalien pääsy signaalia kantavaan johtimeen ja vaikuttaminen siihen halutaan estää, kuten myös halutun signaalin energian säteileminen ulospäin ja vaikuttaminen lähellä oleviin johtimiin ja virtapiireihin.

Jotta suojaus olisi tehokas, sen täytyy ympäröidä aktiiviset johtimet kokonaan ja muodostaa 360°:n johtava este koko reitille, pääteliittimet mukaan lukien. Monet suunnittelijat olettavat, että tämän saavuttamiseksi heidän täytyy käyttää koaksiaalikaapeleita ja -liittimiä, koska kaapelin sisäinen suoja voidaan terminoida säilyttäen 360°:n suojaus. Koaksiaalikaapeleita käyttämällä saavutettava kanavatiheys on kuitenkin matala, joten tämä lähestymistapa ei sovellu täyttämään sähköisiä ja fyysisiä huippunopeus- ja -tiheysvaatimuksia useissa piirilevyjen välisissä sekä piirilevyjen ja taustalevyjen välisissä liitäntäsovelluksissa. Ratkaisu on käyttää huippunopeita ja täysin suojattuja liitäntöjä. Ne tukevat suuria signaalireittimääriä yhdessä ainoassa täysin suojatussa liitinkotelossa.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti suojauksen perusteita sekä haasteita, joita suunnittelijat kohtaavat toteuttaessaan liitäntöjä ja suojauksia korkealla kanavamäärällä sovelluksissa, joissa useiden yksikanavaisten koaksiaalikaapelien käyttö veisi liikaa tilaa. Siinä kerrotaan, miksi kokonaan ympäri kiertävä 360°-suojaus on erityisen tärkeä, ja havainnollistetaan Samtecin useiden suojattujen liitinperheiden avulla suunnittelun ja toteutuksen parhaita käytäntöjä, joilla varmistetaan huippunopean signaalin eheys ahtaissa tiloissa.

Aloita suojauksen perusteista

Kaapelit ja niiden liitännät (liittimet) ovat olennainen osa lähes kaikkia järjestelmiä. Niillä voidaan yhdistää emolevy välikerroslevyyn ja piirilevy käyttöpaneeliin, erikoisrajapintaan tai I/O-rakenteeseen (tulo/lähtö). Jotta signaalin eheys säilyisi, liitännän on tuettava signaalin (signaalien) kaistanleveyttä ja siedettävä myös sähkömagneettisia häiriöitä / radiotaajuushäiriöitä (EMI/RFI). Samanaikaisesti liitäntä ei saa myöskään synnyttää EMI/RFI-säteilyä viereisiin liitäntöihin, piirilevyihin tai komponentteihin – eikä varsinkaan sellaisiin, joissa kulkee matalatasoisia tai herkkiä signaaleja.

Suojaus vaimentaa sähkömagneettisten häiriöiden ja radiotaajuushäiriöiden vaikutusta. Suojaus voi sen sijoituspaikasta ja -tavasta riippuen ensisijaisesti vaimentaa kohinaa lähellä sen lähdettä (kutsutaan joskus kohinan ”aggressoriksi”) tai estää kohinan pääsyn kohinalle herkkiin virtapiireihin (”uhriin”) (kuva 1).

Kuva 1: Suojaus toimii esteenä aggressorilähteen sekä sen EMI- ja RFI-säteilyn tahattoman ja viattoman uhrin välillä. (Kuvan lähde: Journal of Computer Science and Engineering Arvixin kautta)

Huomaa, että sama johdin voi olla sekä aggressori, joka säteilee yhden ”ryppään” EMI/RFI-energiaa, että toisesta lähteestä peräisin olevan energian uhri. EMI/RFI-aggressorin ei täydy myöskään olla jokin ulkoinen, tuotteeseen liittymätön ”kolmannen osapuolen” lähde, vaan se voi olla yhtä hyvin jokin muu järjestelmän osa, joka toimii tahattomana aggressorina säteilemällä energiaa viereiseen johtimeen tai komponenttiin.

On olemassa monia ohjeita ja niin sanottuja ”nyrkkisääntöjä” siitä, miten ja mihin näiden kaapeleiden ja liitäntöjen maadoitussuoja on liitettävä, jotta kohinaenergian siirtyminen aggressorin ja uhrin välillä estyy tai vaimenee merkittävästi. Valitettavasti nämä ohjeet eivät ainoastaan ole usein ristiriidassa keskenään, vaan lisäksi oikea tai paras vastaus näyttää usein riippuvan kyseisen ratkaisun erityispiirteistä. Ehdotettuja ohjeita ovat muun muassa seuraavat:

• Liitä (maadoita) suojan molemmat päät.
• Liitä vain toinen pää ja liitä se lähteeseen.
• Liitä vain toinen pää ja liitä se vastaanottimeen.

Intuitiivisesti vaikuttaa siltä, etteivät ne kaikki voi olla oikein. Tai ehkä ne voivatkin olla riippuen kyseisen ratkaisun erityispiirteistä ja siitä, kuinka paljon vaimennusta tarvitaan. Kattavat laboratoriotestit ovat osoittaneet, että suojan molemmat päät täytyy liittää tehokasta gigahertsialueen (GHz) suojausta varten; toisin sanoen suojan tulee olla jatkuva ja keskeytymätön.

Säännöt ovat hieman joustavammat äänitaajuuksilla ja alemmilla RF-taajuuksilla. Suojan liittäminen vain yhdestä päästä voi puolestaan olla hyväksyttävää sovelluksissa noin 1 megahertsiin (MHz) asti, mutta se ei sovellu kymmenille 10 megahertseille ja tämän yläpuolelle.

Täysi suojaus on tarpeen

Yksityiskohtaiset testitulokset ovat myös osoittaneet, että laajalti käytettävä suojan lyhyt ”erillisjohdinliitäntä” oli usein tehoton (kuva 2). Vaikka sen pituus olisi vain muutama millimetri (mm), alhainen induktanssi haittaa sen suorituskykyä korkeammilla taajuuksilla ja saattaa siten mitätöidä suuren osan suojan suorituskyvystä. Pahinta on, että harmittomasta erillisestä johdinliitännästä saattaa olla itse asiassa haittaa: se voi toimia sähkömagneettisen energian säteilijänä (antennina) ja synnyttää enemmän EMI/RFI-häiriöitä sen sijaan, että se pelkästään vaimentaisi niitä huonosti.

Kuva 2: Tämän HDMI-kaapelin harmittoman näköinen erillisjohdintyyppinen suojaliitäntä ei ole ainoastaan tehoton, vaan se voi myös synnyttää haitallista sähkömagneettista säteilyä. (Kuvan lähde: Dana Bergey ja Nathan Altland, Interference Technology)

Suojaliitännässä tarvitaan sen sijaan 360°:n fyysinen kattavuus, jota vaaditaan useimmissa korkean suorituskyvyn ja MIL-standardeissa (kuva 3).

Kuva 3: Suojan tehokkuuden maksimointiin tarvitaan kauttaaltaan 360° kattava liitos (ylhäällä) nopean ja helpon erillisen johdinliitännän (alhaalla) sijasta. (Kuvan lähde: ResearchGate)

Se, että kumpaankin päähän tarvitaan aukoton 360°:n liitäntä, johtuu fysiikasta: kun toimintataajuudet kasvavat satojen megahertsien ja gigahertsien alueelle, vastaavat aallonpituudet lyhenevät. Tämä tarkoittaa sitä, että pienetkin aukot suojuksen peittävyydessä mahdollistavat, että signaalienergia pääsee karkaamaan ilman vaimennusta tai vain vähän vaimennettuna.

Korkeampien taajuuksien lisäksi nykypäivän järjestelmät ovat pakattu pieneen tilaan ahtaasti. Tämä tarkoittaa sitä, että aggressorin ja uhrin välisen RF-etenemispolun vaimennus on paljon pienempi, sillä polun vaimennus kasvaa etäisyyden neliönä. Näin ollen jopa näennäisesti merkityksetön määrä tahatonta aggressorisignaalia voi saavuttaa uhripiirin ja vaikuttaa siihen suhteellisen korkealla voimakkuudella.

Peittävän 360-asteisen suojan käyttö, mikä on usein tyypillistä yksittäisissä koaksiaalikaapeleissa ja -liittimissä, on todettu tehokkaaksi EMI/RFI-suojauksen kannalta. Koaksiaalikaapelin käyttö on kuitenkin usein ristiriidassa monissa järjestelmissä vaadittavan korkean fysikaalisen tiheyden kanssa.

Lisäksi monet korkeatehoiset järjestelmät tarvitsevat suojauksen useille rinnakkaisille signaalijohtimille seuraavien kahden perusskenaarion mukaisesti:

• Piirilevyjen välisissä liitännöissä, kuten emolevyn ja välikerroslevyn välillä, useiden johdinten ympärillä on yksi ainut suoja.

• Useita suojattuja koaksiaalikaapeleita yksittäisessä kaapelikokoonpanossa yhdellä ainoalla liittimellä.

Yksi suoja piirilevyjen välisiin ratkaisuihin

Yhden ainoan suojan käyttäminen useille signaalijohtimille on periaatteessa yksinkertaista. Suojan sisällä kulkee useita johtimia ja suoja taitetaan pääteholkin päälle niin, että se muodostaa kontaktin liittimen kuoren kanssa (kuva 4).

Kuva 4: Ryhmä signaalijohtimia kulkee suojan sisällä ja jakaa saman suojan. (Kuvan lähde: Samtec)

Tämä lähestymistapa ratkaisee suojausongelman ja vaatii piirilevyllä minimaalisesti lisätilaa suojattomaan liitäntään verrattuna. On tärkeää, että suojattu monijohdinliitin tarjoaa signaalijohtimelle saman perussuorituskyvyn kuin suojaton liitin ja takaa samalla luotettavan ja toistettavan liitännän ja irrotuksen suojaa heikentämättä.

Esimerkin tällaisesta suojatusta monijohdinliitännästä tarjoaa 20-paikkainen kahden piirilevyn välissä käytettävä suojattu liitinpari, Samtecin ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR-urosliitin ja ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR-naarasliitin (kuva 5). Nämä kestävät huippunopeat liitinryhmät on suunniteltu huippunopeisiin korkean syklimäärän sovelluksiin, kuten NRZ (Non-Return to Zero) -koodaus nopeudella 28 gigabitillä sekunnissa (Gbit/s) ja nelitasoinen pulssiamplitudimodulaatio (PAM4) nopeudella 56 Gbit/s.

Kuva 5: 20-paikkainen ERM8-urosliitin (vasemmalla) ja vastaava ERF8-naarasliitin (oikealla) takaavat suojatun piirilevyjen välisen liitännän. (Kuvan lähde: Samtec)

Liittimet tarjoavat koskettimen liukuliikkeen, jonka pituus on jopa 1,5 mm. Niiden ominaisuuksiin kuuluvat lujatekoinen salpa, lukitus ja 360°-suojaus. Ne myös kestävät vetoketju-irrotuksen (epäkeskinen veto epänormaalilla voimalla). Huippunopean suorituskyvyn mahdollistaa Samtecin Edge Rate -kosketinjärjestelmä, joka on suunniteltu huippunopeisiin, korkean syklimäärän sovelluksiin. Se on optimoitu parantamaan signaalien eheyttä vähentämällä broadside-kytkeytymistä, ja siinä käytetään sileää leveäjyrsittyä ja kulumista vähentää kosketuspintaa (kuva 6).

Kuva 6: ERM8-urosliittimessä ja ERF8-naarasliittimessä käytetään valmistajakohtaista Edge Rate -kosketusjärjestelmää, joka vähentää signaalin broadside-kytkeytymistä. (Kuvan lähde: Samtec)

Leveäjyrsityt koskettimet luovat sileän liitospinnan, toisin kuin leikattuun reunaan kytkettävä stanssattu kosketin. Tämä sileä liitospinta vähentää kulumisurien syntymistä koskettimiin lisäten kosketinjärjestelmän kestävyyttä ja käyttöikää. Se myös pienentää kytkemis- ja irrotusvoimia.

Myös koaksiaalikaapeleita tarvitaan

Koaksiaalikaapeleilla on tärkeä ja korvaamaton rooli signaalinsiirrossa, mutta vain yhtä ainutta koaksiaalikaapelia tukevien liitäntöjen käyttö voi olla turhauttavaa silloin, kun tarvitaan useita rinnakkaisia signaaleja. Samtec tarjoaa tähän tarpeeseen suojatuista koaksiaalikaapeliliittimistä muodostuvan tuoteperheen, joka tukee 20, 30, 40 ja 50 johdinta. Näihin kuuluu LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, joka on 20 paikan itsekohdistuva ja hermafrodiittinen pinta-asennusliitin (kuva 7).

Kuva 7: LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR on 20 paikan itsekohdistuva ja hermafrodiittinen pinta-asennusliitin, joka tarjoaa jopa 50 paikkaa. (Kuvan lähde: Samtec)

LSHM on erittäin tiheä ja kestävä liitin, joka on tarkoitettu piirilevyjen välisiin sekä piirilevyjen ja kaapelien välisiin sovelluksiin. Sitä on saatavana myös EMI-suojauksella. Hermafrodiittinen rakenne säästää piirilevyllä tilaa X-, Y- ja Z-akseleilla hienojakoisen Razor Beam -kosketinjärjestelmän ansiosta. Tämä liitin tarjoaa 0,50 mm:n jaon, ja siitä kuuluu kytkettäessä naksaus. Sen kytkentä- ja irrotusvoimat ovat noin neljästä kuuteen kertaa suuremmat kuin tyypillisissä mikrojakoliittimissä.

Tämä piirilevylle asennettava liitin on vain puolet koko liitäntätarinasta, sillä myös kaapelikokoonpano tarvitaan (kuva 8). Myös tämä kokoonpano käyttää Razor Beam -tekniikkaa, jonka jako on 0,50 mm.

Kuva 8: Razor Beam -tekniikkaa käyttävät hienojakoiset itseohjautuvat koaksiaalikaapelikokoonpanot tarjoavat täydellisen piirilevy-kaapeli-ratkaisun monijohdinliittimille. (Kuvan lähde: Samtec)

Eräs mainittua 20-paikkaista piirilevylle asennettavaa suojattua monijohdinkäyttöön tarkoitettua koaksiaaliliitintä täydentävä kaapelikokoonpano on HLCD-10-40.00-TD-TH-1. Se on yhden metrin pituinen kaapeli, jonka molemmissa päissä on itseohjautuvat, sukupuolettomat ja hermafrodiittiset liittimet (kuva 9). Se käyttää 38 AWG:n mikrokoaksiaalia, jonka impedanssi on 50 ohmia (Ω), ja sen nopeusluokitus on 14 Gbit/s kosketinta kohti.

Kuva 9: Monijohdinkäyttöön tarkoitetut 50 Ω:n mikrokoaksiaalikaapelikokoonpanot, kuten 20-paikkainen HLCD-10-40.00-TD-TH-1, sisältävät itseohjautuvat, sukupuolettomat ja hermafrodiittiset liittimet molemmissa päissä. (Kuvan lähde: Samtec)

Osien kokoaminen

Jotta suurnopeusliittimien määritys ja käyttö olisi helpompaa, Samtec on laajentanut valmistajien piirilevylayoutien ja liittimien SPICE-mallien konseptia tarjoamalla referenssisuunnitelmia yhteen piirilevyjen vaikeimmista suunnitteluongelmista: kriittiselle ”break out region” (BOR) -alueelle suurnopeusliittimen ympärillä. Samtecin signaalieheysinsinöörit ovat kehittäneet niin kutsutun ”Final Inch Break Out Region” -käsitteen, joka tarjoaa suosituksia piirilevyjohdinten reititykseen monille sen suurnopeusliitinsarjoille.

Nämä suunnittelusuositukset perustuvat yleisten piirilevymateriaalien, monikerroksisten sekä edullisten ja korkeatuottoisten valmistusprosessien käyttöön, eivätkä ne vaadi mitään erityiskäsittelyä. Näiden suositusten avulla voidaan säästää suunnitteluun, kehitykseen ja validointiin kuluvaa aikaa ja resursseja sekä tasapainottaa suorituskyky valmistettavuuden ja kustannusten kanssa.

Yhteenveto

Kaapeleiden, liittimien ja liitäntöjen täydellinen sähköinen suojaus on ratkaisevan tärkeää signaalien eheyden ja suorituskyvyn kannalta sekä piirilevyjen välisissä että piirilevyjen ja kaapeleiden välisissä konfiguraatioissa. Suojausongelma on vieläkin haastavampi käytettäessä useita rinnakkaisia signaaleja, jotka täytyy suojata EMI/RFI-emissioiden tai niille altistumisen estämiseksi. Kuten edellä on esitetty, Samtec tarjoaa piirilevyjen välisiin ja koaksiaalikaapelien ja piirilevyjen välisiin liitäntöihin erilaisia monijohdinliitinperheitä, jotka helpottavat suunnittelua ja valmistusta sekä takaavat samalla korkeatasoisen mekaanisen ja sähköisen eheyden ja suorituskyvyn.