V automobilovém průmyslu se provádí montáž elektroniky vysokorychlostními montážními stroji kvůli velkému objemu výroby. Proto výrobci využívají plovoucí kontaktní konektory, které tolerují určité nepřesnosti v umístění nebo nesouososti, ke kterým dochází právě při automatizované montáži. Tento článek popisuje elektrické, mechanické a výrobní požadavky, které musí splnit automobilové konektory. Těmto požadavkům vyhovují plovoucí konektory od JAE Electronics, které si podrobně představíme.

Vysokorychlostní komunikační protokoly ve zkratce

Standard 10GBASE-T1 poskytuje přenosovou rychlost 10 Gb/s na vzdálenost až 15 metrů. PCIe 3.0 je vysokorychlostní standard, který umožňuje přenos dat až 8 GTps, a to odpovídá přenosové rychlosti 126 Gb/s. Tento standard se běžně používá jako vysokorychlostní sběrnice v počítačích, ale nyní se zaměřuje na automobilové aplikace. Oba standardy jsou vysoce spolehlivé, a proto se využívají pro autonomní řízení.

Konektory pro vysokorychlostní automobilovou komunikaci

Aby se dosáhlo vysoké spolehlivosti i při přenosu dat vysokou rychlostí, musí se použít konektory, které poskytují robustní a spolehlivé spojení. Musí být zajištěna vynikající integrita signálu, ale také se musí zajistit relativně snadné odpojení a opětovné spojení po mnoha letech provozu. Konektory musí obsahovat mnoho kontaktů s malou roztečí, aby byla zajištěna kompaktní velikost i pro přenos multi-line konektivity.

Příkladem moderní rodiny konektorů pro vysokorychlostní komunikační protokoly 10GBASE-T1 a PCIe 3.0 je řada MA01 od JAE Electronics. Tyto konektory mají válcované kontakty a dvoubodovou kontaktní strukturu, která zajišťuje bezpečné mechanické i elektrické spojení i při vibracích, nárazech a extrémních teplotách (obrázek 1).

Obrázek 1: Konektory řady MA01 mají dvoubodový kontakt, který pomáhá udržovat elektrické spojení během nárazů a vibrací. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Konektory řady MA01 jsou nabízeny v různých stohovacích výškách a to od 8 do 30 mm (obrázek 2) a jsou schopné přenášet rychlosti až 8 Gb/s. Tato rychlost je vyžadována standardem 10 GBASE-T1 a PCIe 3.0, které se používají ke komunikaci s řídící deskou. Konektory se vyznačují nízkou silou při spojování a rozpojování a obsahují tzv. klíčování, které zabraňuje nesprávnému spojení. Konektory jsou určeny do provozních teplot od -40 do 125°C.

Obrázek 2: Konektory řady MA01 jsou k dispozici ve stohovacích výškách od 8 do 30 mm. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Konektor MA01F030VABBR300 má 30 kontaktů s roztečí 0,635 mm a jeho celkový rozměr je 20,925 x 8,8 x 12,3 mm. Kontakty jsou vyrobeny ze slitiny mědi s 0,1 µm vrstvou pozlacení. Jmenovitý proud je 0,5 A a jmenovité napětí je 50 V AC. Konektor je navržen až pro 100 cyklů spojení/rozpojení. Protikus k MA01F030VABBR300 je MA01R030VABBR600 a spolu tvoří dokonalé board-to-board spojení pro vysokorychlostní automobilové aplikace (obrázek 3).

Obrázek 3: MA01F030VABBR300 (dole) má 30 kontaktů a spáruje se s MA01R030VABBR600 (nahoře) pro robustní a spolehlivé vysokorychlostní spojení board-to-board. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Překonání montážních problémů

Velkoobjemová výroba elektroniky používá automatické umísťovací stroje, které však mají určitá mechanická omezení a dochází k určité nepřesnosti v umístění součástek. Mírné poziční chyby nepředstavují větší problém pro aktivní či pasivní komponenty, ale mohou způsobit problémy při spojování vícepolohových konektorů s jemnou roztečí. Problém je znásoben tím, že konektor se problematicky uchopuje vakuovou hubici osazovacího stroje a nemusí tak docházet k přesnému uchopení. S roztečemi menší než jeden milimetr není žádoucí jakékoli vychýlení konektoru, aby nedošlo k poškození kontaktů.

Proto je konektor MA01F030VABBR300 vybaven tzv. plovoucími kontakty, které umožňují pohyb ±0,5 mm ve směru X i Y. Plovoucí kontakt koriguje polohové nepřesnosti nebo vychýlení způsobené během montáže automatizovanými stroji. Konektory jsou dodávány s odnímatelnou krytkou, která zajišťuje bezpečný a přesný úchop vakuových trysek osazovacího stroje. Krytka také brání vniknutí nečistot do spojovací oblasti ještě před montáží konektoru (obrázky 4 a 5).

Obrázek 4: MA01F030VABBR300 je spodní díl sestavy MA01 a je vybaven plovoucími kontakty, které umožňují pohyb ±0,5 mm ve směrech X a Y. To pomáhá eliminovat poziční posuny nebo nesouosost během montáže. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Obrázek 5: Řada MA01 je dodávána s odnímatelnými kryty, které umožňují spolehlivý a přesný úchop vakuové hubice osazovacího stroje. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Protikus MA01R030VABBR600 je pevný konektor, protože pouze jedna část spojení musí „plavat“. Další vlastností konektorů řady MA01, která usnadňuje proces montáže, jsou jasně viditelné pájené spoje v místě, kde se konektor dotýká desky. Některé konektory mají tyto pájené spoje zakryty, a to ztěžuje následnou kontrolu pájení (obrázek 6).

Obrázek 6: Viditelné kontakty u bočního konektoru ze série MA01 usnadňují kontrolu kvality pájených spojů tam, kde je konektor připojen k desce plošných spojů. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Zajištění bezproblémového spojení

Plovoucí kontakty pomáhají kompenzovat chybné umístění konektorů nebo nesouosost. Ale i při samotném připojení protikusu může dojít k vychýlení jemných kontaktů. Může nastat případ, kdy sestava konektoru se vypadá, že spojení proběhlo v pořádku, ale uvnitř jsou některé kontakty vychýleny a spojeni není dokonalé.

Proto konektory JAE obsahují vodicí sloupky, které zabraňují nesprávnému spojení, a to i v případě, že jsou konektory během procesu spojování výrazně nesouosé v jednom nebo obou směrech X a Y.

Vodicí sloupek je zalisován do těla konektoru a nasměruje obě poloviny konektoru do správné polohy pro spojení (obrázky 7, 8 a 9).

Obrázek 7: Vodicí sloupek nasměruje horní polovinu konektoru do správné vertikální orientace při vychýlení ve směru X. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Obrázek 8: Vodicí sloupky ve směru Y zabraňují nadměrnému vychýlení, které by mohli poškodit kontakty. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Obrázek 9: Vodicí sloupky jsou schopny vykompenzovat až 1 mm horizontální vychýlení. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Výběr vysokorychlostního konektoru

Nejdřív je nutné zvolit uspořádání na desce tak, aby se docílilo cílové impedance a eliminovali se přeslechy a ztráty. Za předpokladu, že konstruktér vzal tyto a další klíčové konstrukční faktory v úvahu, pak může konektor hrát hlavní roli v šířce pásma, propustnosti dat a integritě signálu.

Hlavně je nutné zkontrolovat provozní frekvenci konektoru zda vyhovuje komunikační rychlosti systému. Vyhovující konektor musí také mít správnou impedanci pro příslušný vysokorychlostní protokol (obvykle 50 Ω).

I když je konektor vybrán dle specifikace, vždy je důležité otestovat konektor na testovací desce s podobným nebo identickým uspořádáním jako finální produkt. Testování konektoru na testovací desce nemusí vykazovat problémy s integritou, které mohou nastat při použití v reálném světě. Proto místo testovací desky lze použít až finální prototyp a něm provést reálný provoz, kde se mohou vyskytnout problémy s odrazem signálu nebo zkreslením.

Klíčovými měřeními pro určení integrity signálu konektoru jsou S-parametry a diagram oka. S-parametry indikují odraz signálu a ztráty vložením ve frekvenční oblasti. Tyto měření se provádějí pro pracovní obvod s nasazeným konektorem a poté porovnány s výsledky s odstraněným konektorem, aby se vyhodnotil jeho dopad na integritu signálu.

Diagram oka nám vizuálně zobrazuje výkon obvodu v digitální doméně. Je to standardní metoda pro vizualizaci ztrát, přeslechů, intersymbolové interference (ISI) a bitové chybovosti. Opět platí, že testy by měly být prováděny s konektorem a bez něj, aby se zjistil jeho vliv na integritu signálu.

Závěr

Není jednoduché splnit náročné mechanické a elektrické požadavky pro automobilové board- to-board konektory. K dispozici jsou konektory řady MA01 od JAE Electronics, které nabízejí robustní a spolehlivé řešení. Konektory obsahují speciální krytky, které umožňují spolehlivý uchycení vakuové trysky osazovacího stroje. Plovoucí kontakty a vodicí sloupky pomáhají eliminovat nesouosost a poškození kontaktů při montáži.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com