Como garantir que os conectores placa-placa atendam aos requisitos de montagem e uso de alta velocidade do setor automotivo

Os projetistas de sistemas automotivos precisam selecionar e aplicar cuidadosamente os conectores para que tenham um desempenho confiável tanto física quanto eletricamente em ambientes onde estão sujeitos a temperaturas e umidade extremas, contaminação e vibração. Atender e sustentar o desempenho automotivo e os requisitos de confiabilidade está se tornando cada vez mais desafiador à medida que os veículos se tornam poderosos "computadores sobre rodas". Os conectores devem ser capazes de lidar com mais linhas de transmissão em espaços mais apertados com velocidades de comunicação de vários gigabits por segundo que são necessárias para acomodar padrões como 10GBASE-T1 e PCI Express versão 3 (PCIe 3.0).

Para tornar as coisas ainda mais desafiadoras, as empresas automotivas exigem volumes de produção muito altos, de modo que as empresas de montagem eletrônica precisam recorrer a máquinas de montagem de alta velocidade para se manterem em dia. Entretanto, é difícil manter as taxas de produção e o rendimento alto e, ao mesmo tempo, colocar os conectores de forma precisa para que mais tarde eles se conectem sem problemas.

Esses desafios podem ser enfrentados utilizando conectores de contato flutuante física e eletricamente robustos que absorvem mudanças de posição ou desalinhamentos encontrados durante a montagem automatizada.

Este artigo descreve o sinal elétrico, a aplicação física e as exigências de fabricação dos conectores automotivos. Em seguida, apresenta os conectores flutuantes da JAE Electronics que os projetistas podem usar para atender a essas demandas. Estão incluídas especificações sobre padrões de comunicação de alta velocidade, seleção e aplicação de conectores adequados juntamente com orientações sobre como selecionar conectores para protocolos de comunicação automotiva de alta velocidade como 10GBASE-T1 e PCI Express versão 3 (PCIe 3.0).

Protocolos de comunicação de alta velocidade em resumo

10GBASE-T1 pertence a uma família de padrões de Ethernet 10 gigabit (10 GbE) que oferece transmissão de pacotes Ethernet a uma taxa de 10 gigabits por segundo (Gbps). 10GBASE-T1 é uma solução de "Ethernet Automotiva" que opera usando cabos de par trançado em distâncias de até 15 metros (m). A taxa de transferência de dados de 10 Gbps é o padrão de comunicação automotiva mais rápido e pode suportar aplicações como a condução autônoma.

O PCIe 3.0 é outro padrão de barramento de expansão serial de alta velocidade para computadores. Ele suporta até 8 gigatransfers por segundo (GTps). Em uma implementação de "vias x16" de alta tecnologia, 8 GTps equivale a uma taxa de transferência de dados agregada de 126 Gbps.

Tradicionalmente utilizada como um barramento de alta velocidade em PCs, a tecnologia agora está sendo direcionada para aplicações automotivas para o veículo do futuro, pois o projeto de hardware garante que os pacotes de dados transmitidos cheguem ao destino pretendido. Isso faz com que o sistema seja altamente confiável e adequado para a condução autônoma.

Conectores para comunicações automotivas de alta velocidade

Protocolos de comunicação de alta velocidade exigem conectores de alta qualidade. Não apenas devem fornecer uma conexão robusta e confiável para garantir a excelente integridade do sinal, mas também devem ser relativamente fáceis de desconectar e reconectar ao longo de muitos anos de serviço. Eles também devem ser capazes de acomodar muitos pinos e receptáculos com um pequeno passo para garantir um tamanho compacto com conectividade multi-via.

Um exemplo de uma família moderna de conectores para protocolos de comunicação de alta velocidade como 10GBASE-T1 e PCIe 3.0 é a série MA01 da JAE Electronics. Esses conectores oferecem características como contatos laminados de superfície e estruturas de contato de dois pontos para garantir conexões mecânicas e elétricas seguras mesmo sob vibração, choque e as temperaturas extremas típicas das aplicações automotivas (Figura 1).

Figura 1: os conectores da série MA01 possuem um conector de contato de dois pontos que ajuda a manter a continuidade elétrica durante choques e vibrações. (Fonte da imagem: JAE Electronics)

Oferecidos em várias alturas de empilhamento entre 8 e 30 milímetros (mm) (Figura 2) e capazes de transmitir as velocidades de 8 Gbps exigidas para 10 GBASE-T1 e PCIe 3.0, os conectores da série MA01 são ideais para aplicações tais como unidades de controle digital placa-placa para automóveis. Os conectores apresentam baixas forças de inserção e remoção e incluem polarização para evitar acoplamento incorreto. Os conectores apresentam uma ampla faixa de temperatura de operação de -40 a 125 °C.

Figura 2: Os conectores da série MA01 estão disponíveis em alturas de empilhamento de 8 a 30 mm. (Fonte da imagem: JAE Electronics)

Um exemplo é o MA01F030VABBR300. Esse conector é um conector de grau automotivo, transmissão de alta velocidade, de placa-placa. Apresenta 30 posições em um passo de 0,635 mm dentro de um corpo de 20,925 x 8,8 x 12,3 mm. Os contatos são feitos de liga de cobre com uma camada de 0,1 micrômetro (µm) (mín.) de revestimento de ouro. A especificação elétrica do conector é de 0,5 ampere (A) de corrente nominal e 50 volts de tensão nominal CA. É projetado para até 100 ciclos de conexão.

O MA01F030VABBR300 foi projetado para se conectar com o MA01R030VABBR600 para formar conexões de placa-placa para aplicações automotivas de alta velocidade (Figura 3).

Figura 3: O MA01F030VABBR300 (inferior) apresenta 30 posições e conecta com o MA01R030VABBR600 para uma conexão placa-placa de alta velocidade robusta e confiável. (Fonte da imagem: JAE Electronics)

Superando os desafios de montagem

A fabricação de produtos eletrônicos de alto volume exige o uso de tecnologia de montagem por robôs. No entanto, as máquinas de colocação automática utilizadas para o trabalho têm limitações mecânicas. Isso pode resultar em tolerâncias no posicionamento de componentes. Embora pequenos erros de posicionamento sejam típicos e não representem um problema para componentes ativos e passivos, eles podem causar problemas ao acoplar conectores de várias posições e de passo fino. O problema é ainda maior pois um conector típico não apresenta uma superfície plana para que o bico a vácuo da máquina de colocação obtenha uma fixação adequada.

Com os passos típicos de menos de um milímetro entre pinos, não é necessário muito desalinhamento ao acoplar os conectores para resultar em contatos danificados.

Para resolver esse problema, o MA01F030VABBR300 da JAE apresenta tecnologia de contato flutuante que permite um movimento de ±0,5 milímetro em ambas as direções X e Y. Essa flutuação corrige os deslocamentos de posição ou desalinhamentos causados durante a montagem por máquinas automatizadas. Os conectores vêm com uma tampa removível que proporciona a fixação segura para o os bicos a vácuo das máquinas de colocação. A tampa também serve para evitar que grandes detritos entrem na área de acoplamento antes da montagem do conector (Figuras 4 e 5).

Figura 4: O MA01F030VABBR300 é a metade inferior desta conexão MA01 e apresenta tecnologia de contato flutuante, permitindo um movimento de ±0,5 mm nas direções X e Y. Isso ajuda a corrigir os desvios de posicionamento ou desalinhamentos durante a montagem. (Fonte da imagem: JAE Electronics)

Figura 5: A série MA01 é fornecida com uma tampa removível que permite que o bico de vácuo da máquina de colocação tenha uma boa fixação. (Fonte da imagem: JAE Electronics)

O lado fêmea do conector placa-placa, o MA01R030VABBR600, é um conector rígido porque apenas um lado da conexão precisa flutuar para acomodar as tolerâncias de posicionamento.

Outra característica dos conectores da série MA01 que facilita o processo de montagem é uma visão clara dos pontos de solda onde o conector se encontra com a placa pci. Os conectores convencionais normalmente escondem esses pontos de solda, dificultando a inspeção e correndo o risco de falhas em serviço (Figura 6).

Figura 6: Um conector de montagem lateral da série MA01 mostrando como o projeto facilita a inspeção da qualidade dos pontos de solda onde o conector é fixado à placa pci. (Fonte da imagem: JAE Electronics)

Garantia de uma conexão sem problemas

A tecnologia de conectores flutuantes da série MA01 é útil para compensar erros de posicionamento na colocação, mas um desalinhamento maior pode ocorrer quando os conectores são encaixados manualmente. Tal desalinhamento pode muitas vezes acontecer quando as placas superiores e inferiores que seguram as duas metades do conector são reunidas "às cegas", tornando tudo muito fácil o desalinhamento dos contatos delicados. Pior ainda, pode parecer que o conector foi encaixado corretamente, mesmo que os contatos tenham sido danificados durante o processo. Tal desalinhamento pode ocorrer tanto no sentido horizontal X como no Y.

Os conectores JAE incluem guias que impedem uma conexão inadequada, mesmo que os conectores estejam significativamente desalinhados em uma ou ambas as direções X e Y durante o processo de conexão. O guia é moldado no corpo do conector e direciona as duas metades do conector para a posição correta de acoplamento (Figuras 7, 8 e 9).

Figura 7: Quando desalinhado na direção X, o guia da série MA01 da JAE Electronics direciona a metade superior do conector para uma orientação vertical. (Fonte da imagem: JAE Electronics)

Figura 8: Na direção Y, os guias evitam desalinhamentos excessivos que de outra forma prejudicariam os contatos. (Fonte da imagem: JAE Electronics)

Figura 9: Quando duas placas são reunidas para a inserção cega do conector, os guias compensam até 1 mm de desalinhamento horizontal. (Fonte da imagem: JAE Electronics)

Uma vez acoplado, o recurso de contato flutuante do conector permite que ele absorva o choque e a vibração típicos das aplicações automotivas sem risco de danos aos contatos.

Seleção do conector de alta velocidade

O projeto de sistemas de comunicação de alta velocidade é complicado. Mesmo antes que o projetista comece a considerar a integridade do sinal de um determinado conector, o layout da placa pci associada deve levar em consideração fatores como impedâncias alvo e roteamento dos canais de sinal diferencial de alta velocidade para limitar a diafonia e as perdas. Entretanto, assumindo que o projetista tenha levado em conta esses e outros fatores-chave do projeto, então o conector pode desempenhar um papel importante na largura de banda final, na taxa de transferência de dados brutos e na integridade do sinal do sistema.

A primeira coisa a ser verificada ao selecionar um conector de alta velocidade é a largura de banda máxima para o protocolo de comunicação desejado. De pouco adianta projetar um sistema que possa funcionar em alta velocidade se o conector não for capaz de lidar com a frequência operacional do protocolo. Uma maneira simples de fazer isso é escolher conectores que sejam certificados em conformidade com o padrão do protocolo relevante. Dessa forma, o projetista pode confiar que o conector foi projetado especificamente para garantir a máxima taxa de transferência e largura de banda.

Um conector compatível também apresentará a impedância alvo para o protocolo de alta velocidade relevante (normalmente 50 ohms (Ω)). Outros fatores de seleção como o material do conector, o estilo de montagem da placa e as dimensões são importantes, mas têm menos impacto na integridade do sinal.

Embora a certificação de conformidade dê ao projetista a confiança de que o conector pode fazer o trabalho, é importante testar o conector pré-selecionado em uma placa pci de teste com layout similar ou idêntico ao item de produção. A ficha técnica ou o teste do conector isoladamente pode não apresentar problemas na integridade do sinal que podem ocorrer no uso real. Os testes em um protótipo de montagem darão uma indicação clara dos problemas de reflexão e/ou distorção do sinal.

As principais medidas para determinar a integridade do sinal do conector são os parâmetros S e o diagrama de olho. Os parâmetros S indicam retorno de sinal e perdas de inserção no domínio da frequência. Eles devem ser medidos com o circuito funcionando com o conector no lugar e depois comparados com os resultados com o conector removido para avaliar seu impacto na integridade do sinal.

Um diagrama de olho gerado por osciloscópio é uma visualização do desempenho do circuito no domínio digital. É o método padrão para visualização de perdas, diafonia, interferência entre símbolos (ISI) e taxas de erro de bit. Mais uma vez, os testes devem ser realizados com e sem o conector para estabelecer seu impacto na integridade do sinal.

Conclusão

É um desafio para os projetistas atender aos exigentes requisitos de desempenho físico e elétrico dos conectores automotivos placa-placa, ao mesmo tempo em que evitam danos aos conectores devido ao mau posicionamento e tolerância ao desalinhamento durante a montagem automatizada de alta velocidade. Os projetistas podem superar os desafios usando os conectores da série MA01 da JAE Electronics.

Como mostrado, os conectores MA01 estão em conformidade com protocolos de comunicação multi-gigabit e oferecem uma solução robusta e confiável com baixa resistência de inserção e desconexão. Além disso, os conectores também foram projetados tendo em mente uma montagem rápida. Características como tampas removíveis, conectores flutuantes e guias permitem maiores tolerâncias na montagem da placa e conexão cega placa-placa sem o risco de desalinhamento e danos aos contatos.