Use conectores blindados para obter conectividade confiável de alta velocidade em fatores de forma compactos e densos

A blindagem elétrica é uma consideração de projeto e fabricação que faz parte da lista de preocupações dos engenheiros desde os primórdios da eletrônica, mas é cada vez mais preocupante à medida que as taxas de dados aumentam e os sistemas se tornam menores e mais integrados, com mais linhas de sinal mais próximas. Essas tendências complicam muito o que, de outra forma, seria um conceito simples: impedir que sinais externos indesejados atinjam e afetem um condutor que transporta um sinal e impedir que a energia de um sinal desejado emita radiação para fora e afete condutores e circuitos próximos.

Para ser eficaz, a blindagem deve envolver totalmente os condutores ativos, formando uma barreira condutora de 360° ao longo de todo o caminho, incluindo os conectores de terminação. Para conseguir isso, muitos projetistas presumem que devem usar cabos e conectores coaxiais, pois a bainha interna do cabo pode ser terminada mantendo a integridade da bainha em 360°. No entanto, a densidade do canal da área resultante ao usar cabos coaxiais é baixa e, portanto, essa abordagem não é adequada para atender aos requisitos elétricos e físicos de alta velocidade e alta densidade de muitas aplicações de interconexão entre placas e entre placas e backplane. A solução é optar por interconexões de alta velocidade e totalmente blindadas. Essas suportam uma abundância de caminho de sinal em uma única capa de conector totalmente blindado.

Este artigo discute brevemente os conceitos básicos de blindagem e os desafios que os projetistas enfrentam ao implementar interconexões e blindagens numa abundância de canais, em que vários cabos coaxiais de canal único teriam excesso de tamanho e volume agregados. Ele mostra por que a blindagem abrangente de 360° é especialmente importante e usa várias famílias de conectores blindados da Samtec para ilustrar as práticas recomendadas de projeto e implementação para a integridade do sinal de alta velocidade em espaços confinados.

Comece com os princípios básicos de blindagem

Os cabos e suas interconexões (conectores) são uma parte essencial de quase todos os sistemas. Eles podem conectar uma placa-mãe a uma placa sobreposta, uma placa a um painel de usuário, uma interface especializada ou um arranjo de entrada/saída (E/S). Para manter a integridade do sinal, a interconexão deve suportar a largura de banda dos sinais e também ser resistente à interferência eletromagnética/interferência de radiofrequência (EMI/RFI). Ao mesmo tempo, ele também não deve permitir a radiação de EMI/RFI para interconexões, placas ou componentes adjacentes, especialmente aqueles que transmitem sinais de nível baixo ou sensíveis.

A blindagem atenua o impacto da interferência eletromagnética e da interferência de radiofrequência. Dependendo de onde e como é colocada, ela pode atenuar principalmente o ruído próximo à sua fonte (às vezes chamado de "agressor" do ruído) ou impedir que atinja os circuitos sensíveis ao ruído (a "vítima") (Figura 1).

Figura 1: A blindagem funciona como uma barreira entre uma fonte agressora e uma vítima inocente e não intencional de sua EMI e RFI. (Fonte da imagem: Journal of Computer Science and Engineering via Arvix)

Observe que um determinado condutor pode ser tanto um agressor que emite um "agrupamento" de energia EMI/RFI quanto a vítima de energia de outra fonte. Além disso, o agressor de EMI/RFI não precisa ser uma fonte externa "de terceiros" não relacionada ao produto; pode ser facilmente outra parte do sistema agindo como um agressor inadvertido ao emitir energia para um condutor ou componente adjacente.

Há muitas diretrizes e as chamadas "regras básicas" sobre como e onde terminar a bainha do terra desses cabos e interconexões, para bloquear ou atenuar significativamente a transferência de energia do ruído entre o agressor e a vítima. Infelizmente, não apenas essas diretrizes estão frequentemente em conflito, mas a resposta certa ou melhor parece depender das especificidades do arranjo. Entre as diretrizes sugeridas estão:

• Termine (aterre) as duas extremidades da bainha.
• Termine apenas uma extremidade, na fonte.
• Termine apenas uma extremidade, no receptor.

Intuitivamente, parece que nem todos podem estar certos, ou talvez possam, dependendo das especificidades do projeto e de quanta atenuação é necessária. Testes laboratoriais abrangentes mostraram que, para uma blindagem eficaz na faixa de gigahertz (GHz), ambas as extremidades da bainha devem ser terminadas; em outras palavras, a bainha deve ser contínua e ininterrupta.

As regras são um pouco mais flexíveis em frequências de áudio e de RF mais baixas. Entretanto, a terminação da bainha em apenas uma extremidade pode ser aceitável para aplicações de até cerca de 1 megahertz (MHz), mas não é adequada para dezenas de MHz ou mais.

É necessária uma blindagem completa

Os resultados detalhados dos testes também mostraram como a terminação curta de "rabicho", amplamente utilizada para a bainha, era frequentemente ineficaz (Figura 2). Mesmo que tenha apenas alguns milímetros (mm) de comprimento, sua baixa indutância prejudica seu desempenho em frequências mais altas e, portanto, pode anular grande parte do desempenho da bainha. Pior ainda, o inócuo terminal de rabicho poderia, na verdade, ser contraproducente, agindo como um radiador de energia eletromagnética (uma antena), emitindo mais EMI/RFI em vez de ser simplesmente ineficaz em atenuá-la.

Figura 2: A terminação de bainha de aparência inócua no estilo rabicho nesse cabo HDMI não só é ineficaz, mas também pode ser um radiador eletromagnético contraproducente. (Fonte da imagem: Dana Bergey e Nathan Altland, via Interference Technology)

Em vez disso, o que é necessário é uma cobertura física de 360° na terminação da bainha, que é o que se exige na maioria dos padrões MIL e de alto desempenho (Figura 3).

Figura 3: É necessária uma terminação completa de 360° (parte superior) para obter a máxima eficácia da bainha, em vez da conexão rápida e fácil do terra de rabicho (parte inferior). (Fonte da imagem: ResearchGate)

A necessidade de terminação em ambas as extremidades com uma cobertura de 360° sem folgas se deve à física: à medida que as frequências operacionais aumentam para a faixa de centenas de MHz e GHz, os comprimentos de onda correspondentes ficam mais curtos. Isso significa que mesmo pequenas folgas na cobertura da bainha representam uma janela de oportunidade literal para a energia do sinal passar com pouca ou nenhuma atenuação.

Juntamente com as frequências mais altas, os sistemas atuais são densamente compactados. Isso significa que qualquer perda de caminho de propagação de RF entre o agressor e a vítima é muito menor, pois a perda de caminho aumenta com o quadrado da distância. Assim, mesmo uma quantidade aparentemente insignificante de sinal agressor não intencional pode atingir e afetar o circuito da vítima em uma intensidade relativamente alta.

O uso de uma bainha com 360° de integridade, geralmente caracterizada por cabos e conectores coaxiais individuais, é certamente eficaz no que diz respeito à proteção contra EMI/RFI. No entanto, o uso do cabo coaxial geralmente interfere nas necessidades de alta densidade física de muitos sistemas.

Além disso, muitos sistemas de alto desempenho precisam de blindagem em várias linhas paralelas de sinal, como visto em dois cenários básicos:

• Para interconexões de placa a placa, como entre uma placa-mãe e uma placa sobreposta, com uma única bainha ao redor das várias linhas

• Vários cabos coaxiais blindados em uma única montagem de cabos, com um único conector de acoplamento

Bainha única para projetos de placa a placa

O conceito de usar uma única bainha para várias linhas de sinal é, em princípio, simples. As várias linhas são envolvidas por uma bainha dobrada sobre a virola, fazendo contato com a carcaça do conector (Figura 4).

Figura 4: Ao envolver a bainha em torno do grupo de condutores de sinal, as várias linhas são blindadas como um grupo. (Fonte da imagem: Samtec)

Essa abordagem resolve o problema da blindagem e exige um espaço mínimo adicional na placa em comparação com uma interconexão sem blindagem. É importante que o conector multilinha blindado ofereça o mesmo desempenho básico de linha de sinal que um conector não blindado, além de garantir acoplamento e desacoplamento confiáveis e consistentes sem comprometer a bainha.

Um exemplo dessa interconexão blindada multilinha é um par de conectores blindados de 20 posições de placa a placa, a barra de pinos ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR e o soquete ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR da Samtec (Figura 5). Essas robustas tiras de conectores de alta velocidade são projetadas para codificação de alta velocidade (sem retorno a zero (NRZ) a 28 gigabits por segundo (Gbits/s) e modulação por amplitude de pulso de quatro níveis (PAM4) a 56 Gbits/s), aplicações de alto ciclo.

Figura 5: A barra de pinos ERM8 de 20 posições (à esquerda) e o soquete ERF8 correspondente (à direita) fornecem conectividade blindada de placa a placa. (Fonte da imagem: Samtec)

Os conectores fornecem até 1,5 mm de limpeza de contato e apresentam bloqueio, travamento, blindagem de 360° e são robustos quando desconectados de forma desalinhada (puxados com uma força fora do eixo e não normal) durante o desacoplamento. O desempenho em alta velocidade é possibilitado pelo sistema de contato Edge Rate da Samtec, que foi projetado para aplicações de alta velocidade e alto ciclo. Ele é otimizado para a integridade do sinal por meio de uma redução no acoplamento lateral, além de ter uma superfície de contato lisa e amplamente fresada para reduzir o desgaste (Figura 6).

Figura 6: Para reduzir o acoplamento lateral do sinal, o ERM8 e o ERF8 usam um sistema de contato Edge Rate exclusivo. (Fonte da imagem: Samtec)

Os contatos fresados criam uma área de superfície de acoplamento suave, ao contrário de um contato estampado que se acopla em uma borda cortada. Essa superfície de contato lisa reduz os rastros de desgaste no contato, aumentando a durabilidade e a vida útil do sistema de contato. Além de reduzir as forças de inserção e retirada.

Também são necessários cabos coaxiais

Os cabos coaxiais têm uma função essencial e insubstituível na transmissão de sinais, mas o uso de interconexões que suportam apenas um único cabo coaxial pode ser frustrante quando são necessários vários sinais paralelos. Para resolver essa situação, a Samtec oferece uma família de conectores de cabos coaxiais blindados multilinha que suportam 20, 30, 40 e 50 posições. Entre eles, está o LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, um conector hermafrodita de montagem em superfície de 20 posições, autoacoplado (Figura 7).

Figura 7: O LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR é um conector hermafrodita de montagem em superfície de 20 posições, autoacoplado, com até 50 posições. (Fonte da imagem: Samtec)

O LSHM é um conector robusto e de alta densidade para uso em aplicações de placa a placa e de placa a cabo, com blindagem opcional para proteção contra EMI. Com seu sistema Razor Beam de contato de passo fino, o design hermafrodita economiza espaço na placa de circuito impresso nos eixos X, Y e Z. Esse conector apresenta um passo de 0,50 mm e emite um clique audível quando acoplado, com forças de acoplamento e desacoplamento aproximadamente quatro a seis vezes maiores do que os conectores típicos de micropasso.

Esse conector montado na placa é apenas metade da história da interconexão, pois é necessário um cabo de conexão (Figura 8). Essa montagem também usa a tecnologia Razor Beam com um passo de 0,50 mm.

Figura 8: Os cabos de conexão coaxial autoacoplados Razor Beam de passo fino oferecem uma solução multilinha completa de placa a cabo. (Fonte da imagem: Samtec)

Um cabo de conexão complementar para o conector coaxial multilinha blindado de 20 posições citado, montado na placa, é o HLCD-10-40.00-TD-TH-1, um cabo de um metro de comprimento com conectores hermafroditas, sem gênero e autoacoplados em cada extremidade (Figura 9). Ele usa um microcoaxial de 38 AWG com impedância de 50 ohms (Ω) e é dimensionado para 14 Gbits/s por contato.

Figura 9: Os cabos de conexão microcoaxial e multilinha de 50 Ω, como o HLCD-10-40.00-TD-TH-1 de 20 posições, incluem conectores hermafroditas autoacoplados e sem gênero em cada extremidade. (Fonte da imagem: Samtec)

Montando tudo isso

Para facilitar a especificação e o uso desses conectores de alta velocidade, a Samtec ampliou o conceito de layouts de placas de circuito impresso do fabricante e modelos SPICE dos conectores, oferecendo projetos de referência para uma das questões de projeto mais difíceis na placa: a "região de ruptura" (BOR) crítica em torno do conector de alta velocidade. Os engenheiros de integridade de sinal da Samtec desenvolveram o que eles chamam de “Final Inch Break Out Region”, com recomendações relacionadas ao roteamento de trilhas da placa de circuito impresso para muitas de suas séries de conectores de alta velocidade.

Essas recomendações de projeto baseiam-se no uso de materiais de placa padrão, várias camadas e processos de fabricação de baixo custo e alto rendimento e não exigem tratamento especial. Essas recomendações podem economizar tempo e recursos de projeto, desenvolvimento e validação, além de equilibrar o desempenho com a capacidade de fabricação e o custo.

Conclusão

A blindagem elétrica completa de cabos, conectores e interconexões é essencial para a integridade e o desempenho do sinal nas configurações de placa a placa e de placa a cabo. O problema da blindagem é mais desafiador quando há vários sinais paralelos que precisam ser blindados para evitar emissões de EMI/RFI ou suscetibilidade a essas emissões. Conforme mostrado, a Samtec oferece várias famílias de interconexões multilinhas de placa a placa e de cabo coaxial a placa para simplificar o projeto e a fabricação, mantendo um alto nível de integridade e desempenho mecânico e elétrico.