Alta velocidade sem riscos
O Big Data e outras tecnologias exigem velocidades 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 na sua ficha de ligação para evitar interferências no sinal?
A digitalização crescente em todos os setores, como a Internet das Coisas Industrial, a Indústria 4.0, as redes inteligentes (Smart Grid) e as casas inteligentes (Smart Home), exige uma transmissão de dados a alta velocidade, desde o sensor até à nuvem. No entanto, não se trata apenas dos sensores, mas também dos sistemas de controlo industrial e de câmaras, das comunicações de dados (Datacom) e das aplicações de servidor: 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 crescente dificulta aos desenvolvedores a superação dos testes obrigatórios de compatibilidade eletromagnética (EMC) da 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 de bordo: arquitetura descentralizada, por domínios e por zonas
A arquitetura descentralizada clássica nos automóveis é composta por até 100 unidades 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 as outras unidades através de gateways.
Ao longo das últimas décadas, a arquitetura descentralizada sofreu um crescimento histórico, sendo que cada nova funcionalidade era complementada por mais uma unidade de controlo. Hoje, porém, está a atingir os seus limites: o aumento das funcionalidades eleva significativamente os custos de instalação e cablagem no interior do veículo.
Na arquitetura de domínios, as unidades de controlo são agrupadas em diferentes áreas funcionais. Cada domínio é responsável por uma área específica do veículo, como, por exemplo, propulsão, infoentretenimento ou segurança. O controlo superior de um domínio é executado por um computador de alto desempenho (HPC) independente. Este coordena as unidades de controlo dentro do seu domínio. Para a 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 de domínios pode, assim, contribuir efetivamente para a redução de custos e peso em comparação com a arquitetura descentralizada. Além disso, funções adicionais podem ser integradas posteriormente com um esforço mínimo.
Na arquitetura de zonas, a estruturação não se baseia nos domínios, mas sim em zonas locais. Assim, por exemplo, várias funcionalidades são agrupadas dentro de uma zona no automóvel. Consequentemente, funções como a propulsão e o infoentretenimento podem perfeitamente ser reunidas e processadas num controlador de zona. O controlo superior dos vários controladores de zona é assegurado por um HPC central. A vantagem é evidente: uma redução dos controladores e da respetiva cablagem em até 50 por cento.
Ao longo das últimas décadas, a arquitetura descentralizada sofreu um crescimento histórico, sendo que cada nova funcionalidade era complementada por mais uma unidade de controlo. Hoje, porém, está a atingir os seus limites: o aumento das funcionalidades eleva significativamente os custos de instalação e cablagem no interior do veículo.
Na arquitetura de domínios, as unidades de controlo são agrupadas em diferentes áreas funcionais. Cada domínio é responsável por uma área específica do veículo, como, por exemplo, propulsão, infoentretenimento ou segurança. O controlo superior de um domínio é executado por um computador de alto desempenho (HPC) independente. Este coordena as unidades de controlo dentro do seu domínio. Para a 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 de domínios pode, assim, contribuir efetivamente para a redução de custos e peso em comparação com a arquitetura descentralizada. Além disso, funções adicionais podem ser integradas posteriormente com um esforço mínimo.
Na arquitetura de zonas, a estruturação não se baseia nos domínios, mas sim em zonas locais. Assim, por exemplo, várias funcionalidades são agrupadas dentro de uma zona no automóvel. Consequentemente, funções como a propulsão e o infoentretenimento podem perfeitamente ser reunidas e processadas num controlador de zona. O controlo superior dos vários controladores de zona é assegurado por um HPC central. A vantagem é evidente: uma redução dos controladores e da respetiva cablagem em até 50 por cento.
Requisitos para o HPC e os seus conectores
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.
Alto desempenho, transmissão de dados rápida e, acima de tudo, fiável – por vezes em condições ambientais adversas – são, portanto, requisitos que se aplicam também aos conectores 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, sobreposto e representado por um osciloscópio. Desta forma, todas as possíveis curvas de sinal podem ser representadas «sobrepostas». Em teoria, as transições dos estados lógicos são infinitamente íngremes e as linhas de sinal decorrem exatamente sobrepostas. Devido a fatores de perturbação externos e a interferências internas nos pares de sinais, a subida do sinal achata-se e a amplitude altera-se. Resulta daí a forma de um olho, que dá nome ao diagrama.
Alto desempenho, transmissão de dados rápida e, acima de tudo, fiável – por vezes em condições ambientais adversas – são, portanto, requisitos que se aplicam também aos conectores 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, sobreposto e representado por um osciloscópio. Desta forma, todas as possíveis curvas de sinal podem ser representadas «sobrepostas». Em teoria, as transições dos estados lógicos são infinitamente íngremes e as linhas de sinal decorrem exatamente sobrepostas. Devido a fatores de perturbação externos e a interferências internas nos pares de sinais, a subida do sinal achata-se e a amplitude altera-se. Resulta daí a forma de um olho, que dá nome ao diagrama.
No centro do diagrama, é possível observar a chamada «Eye Mask». Nesta área, não é possível identificar claramente o sinal.
Os dois diagramas de olho mostram as influências do comprimento do cabo 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 com 10 Gbit/s – os pares de sinais são inequivocamente interpretáveis.
Os dois diagramas de olho mostram as influências do comprimento do cabo 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 com 10 Gbit/s – os pares de sinais são inequivocamente interpretáveis.
Uma vez que os sinais de alta velocidade são particularmente sensíveis a interferências eletromagnéticas, necessitam de uma proteção especial. Um 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, 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, enquanto a transmissão do sinal do conector blindado permanece 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, enquanto a transmissão do sinal do conector blindado permanece estável mesmo a 4,4 kV.
Com a indutância de acoplamento 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 como à emissão de interferências. Se a tensão induzida (Uind), a tensão do gerador (UGen) e a constante do gerador (kGen) forem conhecidas, a indutância de acoplamento máxima admissível específica para uma aplicação pode ser determinada através da seguinte fórmula:
LK = Uind / (UGen * kGen)
A indutância de acoplamento ajuda ainda o utilizador a definir o conector adequado em termos de compatibilidade eletromagnética e a evitar testes de tentativa e erro dispendiosos e demorados no laboratório de EMC. Eis um exemplo: para um sinal HDMI, foi determinada uma indutância de acoplamento 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 não poderá, portanto, ser transmitido sem interferências.
LK = Uind / (UGen * kGen)
A indutância de acoplamento ajuda ainda o utilizador a definir o conector adequado em termos de compatibilidade eletromagnética e a evitar testes de tentativa e erro dispendiosos e demorados no laboratório de EMC. Eis um exemplo: para um sinal HDMI, foi determinada uma indutância de acoplamento 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 não poderá, portanto, ser transmitido sem interferências.
No entanto, não são apenas as interferências eletromagnéticas que comprometem a transmissão dos sinais de alta velocidade. Especialmente na aplicação automóvel, os conectores estão repetidamente expostos a condições ambientais extremas, como vibração e choques. Para que a transmissão de sinais ocorra 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 desempenham um papel decisivo.
Fator de influência: sistema de contacto
Os conectores clássicos de duas peças possuem um contacto de lâmina e um contacto de mola. No entanto, em caso de forte impacto, a régua de contatos em forma de lâmina pode soltar-se da régua de mola. Para evitar essa interrupção do contato, é possível garantir redundância e, consequentemente, a segurança do contato através de uma régua de mola dupla, pois a segunda mola assegura a transmissão do sinal em qualquer momento através de, pelo menos, um ponto de contato (Fig. 5).
Por outro lado, os conectores com o chamado sistema de contacto «neutro em termos de género» são ainda mais robustos. A particularidade reside nas geometrias de contacto idênticas dos pares de conectores, o plugue e a tomada. Ambos dispõem, portanto, tanto de uma mola como de uma lâmina. Assim, cada pino é contactado por duas molas, estando o plugue e a tomada entrelaçados e não podendo separar-se um do outro. Enquanto uma régua de molas de dupla face garante sempre, sob carga mecânica, pelo menos um ponto de contacto, as geometrias entrelaçadas nos sistemas de contacto neutros em termos de género 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 para uma ligação duradoura entre a placa de circuito impresso e o conector, recomenda-se a tecnologia de montagem em superfície (SMT). Através de pasta de solda, os conectores são soldados em áreas de ligação definidas da placa de circuito impresso, os pads de solda. Só num forno de refluxo é que o material de solda é derretido e, posteriormente, endurecido. A SMT permite realizar ligações estáveis entre o conector e a placa de circuito impresso. Para tal, no entanto, é necessário cumprir alguns critérios: em primeiro lugar, para um ponto de soldadura conforme com a norma IPC-A-610, deve ser mantida a proporção correta entre a base de soldadura, o ponto de soldadura e a pasta de solda. Só assim é estabelecida uma ligação de alta qualidade que permite uma ligação de classe 3 segundo a 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 alcançar 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 conectores instalados. À primeira vista, o papel dos conectores instalados parece passar para segundo plano devido à redução do número de unidades de controlo. No entanto, uma análise mais aprofundada revela que o seu papel ganha importância precisamente devido a esta transição para o processamento centralizado de dados através de HPC: a fiabilidade na transmissão de sinais nunca foi tão importante como hoje.