Alta velocidade sem riscos
O Big Data e afins exigem taxas de transmissão de dados cada vez mais elevadas. Ao mesmo tempo, os componentes eletrónicos têm de se tornar não só cada vez mais rápidos e inteligentes, mas também cada vez mais pequenos. Daí resultam riscos específicos na transmissão de dados e, consequentemente, novos desafios para a tecnologia de ligação. A que deve prestar atenção no seu conector para evitar interferências de sinal?
A digitalização crescente em todos os setores, como a Internet das Coisas Industrial, a Indústria 4.0, a Smart Grid e a Smart Home, exige uma transmissão de dados de alta velocidade desde o sensor até à nuvem. No entanto, não só para sensores, mas também em sistemas de controlo industrial e de câmaras, Datacom e aplicações de servidor, aplica-se o seguinte: os sinais têm de ser transmitidos de forma fiável a 20 Gbit/s ou mais. Para além da alta velocidade, a IIoT, o Big Data e afins trazem consigo mais uma tendência: os componentes eletrónicos têm de se tornar não só cada vez mais rápidos e inteligentes, mas também cada vez mais pequenos. Esta miniaturização progressiva dificulta aos desenvolvedores o cumprimento dos testes obrigatórios de CEM previstos na diretiva europeia. Isto porque os componentes eletrónicos de um conjunto podem atuar tanto como sumidouros de interferências como fontes de interferências, e a disposição próxima de componentes sensíveis aumenta o risco de influência mútua.
Definição de «rede elétrica de bordo»: arquitetura descentralizada, por domínios e por zonas
A arquitetura descentralizada clássica no setor automóvel é composta por até 100 unidades de controlo (unidade de controlo), sendo que a cada uma delas é atribuída uma função definida: controlo do motor, airbag, ABS/ESP, regulação dos bancos, climatização, … Cada unidade de controlo funciona de forma autónoma e comunica com outras unidades de controlo através de gateways.
Ao longo das últimas décadas, a arquitetura descentralizada registou um crescimento histórico, sendo que cada nova funcionalidade era complementada por mais um «unidade de controlo». Hoje, porém, esta arquitetura está a atingir os seus limites: o aumento das funcionalidades eleva significativamente os custos de instalação e de cablagem no interior do veículo.
Na arquitetura por domínios, as unidades de controlo são agrupadas em diferentes áreas funcionais. Cada domínio é responsável por uma área específica do veículo, como, por exemplo, a propulsão, o infoentretenimento ou a segurança. O controlo de nível superior de um domínio é executado por um computador de alto desempenho (HPC) autónomo. Este coordena as unidades de controlo dentro do seu domínio. No caso da área funcional da segurança, isso incluiria, por exemplo, unidades de controlo para sistemas de assistência ao condutor, ABS/ESP e sistemas de direção.
Em comparação com a arquitetura descentralizada, o menor número de unidades de controlo instaladas reduz o esforço de cablagem e instalação. A arquitetura por domínios pode, assim, contribuir efetivamente para a redução de custos e peso, em comparação com a arquitetura descentralizada. Além disso, é possível integrar posteriormente funções adicionais com um esforço mínimo.
Na arquitetura arquitetura zonal, a estruturação não se baseia nos domínios, mas sim em zonas locais. Assim, por exemplo, dentro de uma zona do automóvel, várias funcionalidades são agrupadas. Consequentemente, é perfeitamente possível que funções como a propulsão e o infoentretenimento sejam agrupadas e processadas num único controlador de zona (controlador de zona). O controlo de nível superior dos vários controladores de zona é assegurado por um HPC central. A vantagem é evidente: uma redução do número de unidades de controlo e da respetiva cablagem em até 50 por cento.
Ao longo das últimas décadas, a arquitetura descentralizada registou um crescimento histórico, sendo que cada nova funcionalidade era complementada por mais um «unidade de controlo». Hoje, porém, esta arquitetura está a atingir os seus limites: o aumento das funcionalidades eleva significativamente os custos de instalação e de cablagem no interior do veículo.
Na arquitetura por domínios, as unidades de controlo são agrupadas em diferentes áreas funcionais. Cada domínio é responsável por uma área específica do veículo, como, por exemplo, a propulsão, o infoentretenimento ou a segurança. O controlo de nível superior de um domínio é executado por um computador de alto desempenho (HPC) autónomo. Este coordena as unidades de controlo dentro do seu domínio. No caso da área funcional da segurança, isso incluiria, por exemplo, unidades de controlo para sistemas de assistência ao condutor, ABS/ESP e sistemas de direção.
Em comparação com a arquitetura descentralizada, o menor número de unidades de controlo instaladas reduz o esforço de cablagem e instalação. A arquitetura por domínios pode, assim, contribuir efetivamente para a redução de custos e peso, em comparação com a arquitetura descentralizada. Além disso, é possível integrar posteriormente funções adicionais com um esforço mínimo.
Na arquitetura arquitetura zonal, a estruturação não se baseia nos domínios, mas sim em zonas locais. Assim, por exemplo, dentro de uma zona do automóvel, várias funcionalidades são agrupadas. Consequentemente, é perfeitamente possível que funções como a propulsão e o infoentretenimento sejam agrupadas e processadas num único controlador de zona (controlador de zona). O controlo de nível superior dos vários controladores de zona é assegurado por um HPC central. A vantagem é evidente: uma redução do número de unidades de controlo e da respetiva cablagem em até 50 por cento.
Requisitos para o HPC e os seus conector
Os requisitos que daí decorrem para um HPC são elevados: nomeadamente, o processamento dos dados de imagem na área do infoentretenimento ou dos sistemas de câmaras para a condução autónoma exigem uma transmissão de dados segura e de alta velocidade com tempos de latência reduzidos. Ao mesmo tempo, não pode, em circunstância alguma, ocorrer uma falha na transmissão do sinal – a sua fiabilidade deve ser garantida em todos os momentos.
Elevado desempenho, transmissão de dados rápida e, acima de tudo, fiável — por vezes em condições ambientais adversas — são, portanto, requisitos que se aplicam também aos conector instalados.
A «legibilidade» de um sinal pode ser ilustrada com a ajuda do chamado diagrama de olho. Este indica se um sinal transmitido pode ser inequivocamente atribuído aos estados digitais 1 ou 0 no recetor.
Para tal, um sinal percorre um percurso de transmissão definido, sendo captado por um osciloscópio, sobreposto e representado. Desta forma, todas as possíveis curvas de sinal podem ser representadas «sobrepostas». Em teoria, as transições entre os estados lógicos são infinitamente íngremes e as linhas de sinal sobrepõem-se exatamente umas às outras. Devido a fatores de perturbação externos e a interferências internas nos pares de sinais, a subida do sinal torna-se mais suave e a amplitude altera-se. Resulta daí a forma de um olho, que dá nome ao diagrama.
Elevado desempenho, transmissão de dados rápida e, acima de tudo, fiável — por vezes em condições ambientais adversas — são, portanto, requisitos que se aplicam também aos conector instalados.
A «legibilidade» de um sinal pode ser ilustrada com a ajuda do chamado diagrama de olho. Este indica se um sinal transmitido pode ser inequivocamente atribuído aos estados digitais 1 ou 0 no recetor.
Para tal, um sinal percorre um percurso de transmissão definido, sendo captado por um osciloscópio, sobreposto e representado. Desta forma, todas as possíveis curvas de sinal podem ser representadas «sobrepostas». Em teoria, as transições entre os estados lógicos são infinitamente íngremes e as linhas de sinal sobrepõem-se exatamente umas às outras. Devido a fatores de perturbação externos e a interferências internas nos pares de sinais, a subida do sinal torna-se mais suave e a amplitude altera-se. Resulta daí a forma de um olho, que dá nome ao diagrama.
No centro do diagrama, é possível identificar a chamada «Eye Mask». Nesta área, não é possível uma identificação inequívoca do sinal.
Os dois diagramas de olho mostram as influências do comprimento da linha e da impedância, tomando como exemplo os conectores ept Colibri nas versões de 16 + Gbit/s e 10 Gbit/s. O exemplo ilustra como, através do aperfeiçoamento do design dos contactos, foi possível alcançar um aumento significativo da integridade do sinal (ver Fig. XX). Graças a um comprimento de linha mais curto e a uma impedância de 100 Ω, o olho da variante de 16+ Gbit/s do Colibri forma-se de forma mais nítida do que na variante anterior do Colibri de 10 Gbit/s – os pares de sinais são inequivocamente interpretáveis.
Os dois diagramas de olho mostram as influências do comprimento da linha e da impedância, tomando como exemplo os conectores ept Colibri nas versões de 16 + Gbit/s e 10 Gbit/s. O exemplo ilustra como, através do aperfeiçoamento do design dos contactos, foi possível alcançar um aumento significativo da integridade do sinal (ver Fig. XX). Graças a um comprimento de linha mais curto e a uma impedância de 100 Ω, o olho da variante de 16+ Gbit/s do Colibri forma-se de forma mais nítida do que na variante anterior do Colibri de 10 Gbit/s – os pares de sinais são inequivocamente interpretáveis.
Uma vez que os sinais de alta velocidade são particularmente suscetíveis a interferências eletromagnéticas, necessitam de uma proteção especial do sinal. Um conector (conector) pode funcionar tanto como fonte de interferência como como dissipador. Por este motivo, recomenda-se a proteção do sinal através de uma chapa de blindagem (placa de blindagem), para proteger os sinais sensíveis de influências externas.
A Figura 4 demonstra que mesmo um pequeno impulso elétrico pode distorcer o sinal útil. O recetor já não consegue interpretar de forma inequívoca os estados digitais do sinal HDMI após um breve impulso de 0,5 kV, ao passo que a transmissão do sinal do conector blindado continua estável mesmo a 4,4 kV.
A Figura 4 demonstra que mesmo um pequeno impulso elétrico pode distorcer o sinal útil. O recetor já não consegue interpretar de forma inequívoca os estados digitais do sinal HDMI após um breve impulso de 0,5 kV, ao passo que a transmissão do sinal do conector blindado continua estável mesmo a 4,4 kV.
Com a «indutância mútua» (LK) como parâmetro de CEM, o conector pode ser descrito através da análise das relações elétricas em ambas as funções – fonte e dissipador. Para tal, utiliza-se a unidade Henry. Isto aplica-se tanto à «imunidade» (resistência a perturbações) como à «emissão eletromagnética» (emissão de perturbações). Se a tensão induzida (Uind), a tensão do gerador (UGen) e a constante do gerador (kGen) forem conhecidas, é possível determinar, para uma determinada aplicação, a indutância mútua máxima admissível (L) específica, com base na seguinte fórmula:
LK = Uind / (UGen * kGen)
A «indutância mútua» ajuda ainda o utilizador a definir o conector adequado em termos de compatibilidade eletromagnética e a evitar testes de tentativa e erro, dispendiosos em termos de custos e tempo, no CEM-Labor. Eis um exemplo: para um sinal HDMI, foi determinada uma indutância mútua máxima específica para o caso de 47 picohenry (pH) a uma tensão de 4,4 kV. Se o valor for superior a este, o sinal já não poderá ser transmitido sem interferências.
LK = Uind / (UGen * kGen)
A «indutância mútua» ajuda ainda o utilizador a definir o conector adequado em termos de compatibilidade eletromagnética e a evitar testes de tentativa e erro, dispendiosos em termos de custos e tempo, no CEM-Labor. Eis um exemplo: para um sinal HDMI, foi determinada uma indutância mútua máxima específica para o caso de 47 picohenry (pH) a uma tensão de 4,4 kV. Se o valor for superior a este, o sinal já não poderá ser transmitido sem interferências.
No entanto, não são apenas as influências eletromagnéticas que comprometem a transmissão dos sinais de alta velocidade. Especialmente na aplicação automóvel, os conectores (conector) estão repetidamente expostos a condições ambientais extremas, como vibração e choques. Para que a transmissão de sinais decorra sem interrupções, mesmo em ambientes adversos, o conector deve ser particularmente robusto. Neste contexto, o design dos contactos, o sistema de contactos e a tecnologia de ligação (tecnologia de ligação) desempenham um papel decisivo.
Fator de influência: sistema de contacto
Os « conector » clássicos de duas peças dispõem de um «Messer-» e de um « contacto fêmea ». No entanto, em caso de forte impacto, a « conector macho » pode separar-se da « conector fêmea ». Para evitar que tal « microcorte » ocorra, é possível garantir redundância e, consequentemente, a segurança do contacto através de uma « conector fêmea » de dupla face, uma vez que, graças à segunda mola, a transmissão do sinal é assegurada em qualquer momento através de, pelo menos, um ponto de contacto (Fig. 5).
Por outro lado, os conectores (conector) com o chamado sistema de contactos hermafrodita são ainda mais robustos. A particularidade reside nas geometrias de contacto idênticas dos pares de conectores, Plug e Socket. Ambos dispõem, portanto, tanto de uma mola como de uma lâmina. Assim, cada pino é contactado por duas molas, estando o Plug e o Socket entrelaçados e não podendo separar-se um do outro. Enquanto uma barra de molas (conector fêmea) de dupla face garante sempre, sob carga mecânica, pelo menos um ponto de contacto, as geometrias entrelaçadas nos sistemas de contacto de género neutro asseguram que a transmissão do sinal ocorra sempre através de dois pontos de contacto. Esta elevada redundância permite, assim, a máxima segurança de contacto (Fig. 5).
Como técnica de ligação (tecnologia de ligação) para uma ligação duradoura entre a placa de circuito impresso e o conector (conector), recomenda-se a tecnologia de montagem em superfície (SMT). Por meio de pasta de solda (pasta de soldar), os conectores são soldados em áreas de soldadura definidas da placa de circuito impresso, os pads de soldadura. Só num chamado forno de refluxo (forno de refusão) é que o material de solda é levado a derreter e, posteriormente, a endurecer. Através da SMT, é possível realizar ligações estáveis entre o conector e a placa de circuito impresso. Para tal, no entanto, é necessário que sejam cumpridos alguns critérios: em primeiro lugar, para um ponto de junta soldada em conformidade com a norma IPC-A-610, deve ser respeitada a proporção correta entre o terminal SMT, o pad de soldadura e a pasta de soldar. Só assim se estabelece uma ligação de alta qualidade que permite uma ligação de acordo com a classe 3 da IPC, sendo, portanto, adequada para utilização em eletrónica de alto desempenho. Nesta classe, as falhas na transmissão de sinais devem ser excluídas em qualquer momento. Uma «ligação soldada» ideal reconhece-se pela formação uniforme do menisco. O contacto deve estar totalmente envolvido pelo menisco de solda, para se obterem as melhores forças de retenção na placa de circuito impresso. (Fig. 9).
A coplanaridade dos pés de contacto é um requisito essencial para uma ligação de excelente qualidade, sendo esta submetida a uma inspeção 100% automatizada durante o processo.
Conclusão
Os desenvolvimentos atuais no setor automóvel impõem requisitos cada vez mais exigentes aos conector instalados. À primeira vista, o papel dos conectores instalados parece passar para segundo plano devido ao número reduzido de unidades de controlo. No entanto, numa análise mais aprofundada, verifica-se que o seu papel ganha importância precisamente devido a esta transição para o processamento central de dados através de HPC: a fiabilidade na transmissão de sinais nunca foi tão importante como hoje.