Gebruik afgeschermde connectors voor betrouwbare hogesnelheidsconnectiviteit in compacte formaten

Elektrische afscherming is een ontwerp- en fabricageoverweging die al sinds de begindagen van de elektronica op de lijst van zorgen van de ingenieur staat, maar die steeds zorgwekkender wordt naarmate de gegevenssnelheden toenemen en systemen kleiner en sterker geïntegreerd worden met meer signaallijnen dichter bij elkaar. Deze tendensen compliceren sterk wat anders een eenvoudig concept is: voorkomen dat externe ongewenste signalen een geleider met een signaal bereiken en beïnvloeden en voorkomen dat de energie van een gewenst signaal naar buiten straalt en nabije geleiders en circuits beïnvloedt.

Om effectief te zijn, moet de afscherming de actieve geleiders volledig omringen en een geleidende barrière van 360° vormen langs het hele pad, inclusief de aansluitingen voor de beëindiging. Om dit te bereiken gaan veel ontwerpers ervan uit dat ze coaxiale kabels en connectoren moeten gebruiken, omdat de interne kabelafscherming kan worden afgesloten met behoud van de 360°-schildintegriteit. De resulterende oppervlaktedichtheid van kanalen bij het gebruik van coaxkabels is echter laag, waardoor deze aanpak niet geschikt is om te voldoen aan de elektrische en fysieke vereisten voor hoge snelheid en hoge dichtheid van veel interconnectietoepassingen van bord tot bord en van bord tot bord. De oplossing is om te kiezen voor snelle, volledig afgeschermde interconnecties. Deze ondersteunen hoge signaalpaden in een enkele, volledig afgeschermde connectorbehuizing.

Dit artikel bespreekt kort de basisprincipes van afscherming en de uitdagingen waarmee ontwerpers te maken krijgen bij het implementeren van interconnecties met een groot aantal kanalen en afscherming waarbij meerdere coaxkabels met één kanaal een te grote totale omvang en massa zouden hebben. Het laat zien waarom een allesomvattende 360° afscherming bijzonder kritisch is en maakt gebruik van verschillende families afgeschermde connectoren van Samtec om de beste ontwerp- en implementatiepraktijken voor hoge snelheid signaalintegriteit in kleine ruimtes te illustreren.

Begin met de basisprincipes van afscherming

Kabels en hun onderlinge verbindingen (connectoren) zijn een essentieel onderdeel van bijna alle systemen. Ze kunnen een moederbord verbinden met een mezzaninekaart, een kaart met een gebruikerspaneel, een gespecialiseerde interface of een input/output (I/O) opstelling. Om de signaalintegriteit te behouden, moet de interconnect de bandbreedte van het signaal/de signalen ondersteunen en ook bestand zijn tegen elektromagnetische interferentie/radiofrequentie-interferentie (EMI/RFI). Tegelijkertijd mag er geen straling van EMI/RFI naar aangrenzende interconnecties, printplaten of componenten plaatsvinden, vooral niet naar diegene die laag-niveau of gevoelige signalen overbrengen.

Afscherming dempt de impact van elektromagnetische interferentie en radiofrequentie-interferentie. Afhankelijk van waar en hoe het geplaatst wordt, kan het lawaai in de eerste plaats verzwakken in de buurt van de bron (soms de lawaai "agressor" genoemd), of blokkeren dat het lawaai gevoelige circuits bereikt (het "slachtoffer") (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Afscherming functioneert als een barrière tussen een agressorbron en een onbedoeld, onschuldig slachtoffer van zijn EMI en RFI. (Bron afbeelding: Journal of Computer Science and Engineering via Arvix)

Merk op dat een bepaalde geleider zowel een agressor kan zijn die een "cluster" van EMI/RFI energie uitzendt als ook het slachtoffer van energie van een andere bron. Verder hoeft de EMI/RFI-veroorzaker niet een externe bron te zijn die niets te maken heeft met het product; het kan net zo goed een ander onderdeel van het systeem zijn dat onbedoeld energie uitstraalt op een aangrenzende geleider of component.

Er zijn veel richtlijnen en zogenaamde "vuistregels" over hoe en waar de aardafscherming van deze kabels en interconnects moet worden afgesloten om de overdracht van ruisenergie tussen aanvaller en slachtoffer te blokkeren of aanzienlijk te dempen. Helaas zijn deze richtlijnen niet alleen vaak in strijd met elkaar, maar lijkt het juiste of beste antwoord vaak af te hangen van de specifieke kenmerken van de regeling. De voorgestelde richtlijnen zijn onder andere:

• Termineer (aard) beide uiteinden van de afscherming.
• Sluit slechts één uiteinde af, bij de bron.
• Sluit slechts één uiteinde af, bij de ontvanger.

Intuïtief lijkt het erop dat ze niet allemaal kunnen kloppen, of misschien toch wel, afhankelijk van de specifieke kenmerken van het ontwerp en hoeveel demping er nodig is. Uitgebreide laboratoriumtests hebben aangetoond dat voor een effectieve afscherming in het gigahertzbereik (GHz) beide uiteinden van de afscherming afgesloten moeten zijn; met andere woorden, de afscherming moet ononderbroken en ononderbroken zijn.

De regels zijn iets flexibeler bij audio en lagere RF-frequenties. Afsluiting van de afscherming aan slechts één uiteinde kan acceptabel zijn voor toepassingen tot ongeveer 1 megahertz (MHz), maar is niet geschikt voor 10 MHz en meer.

Volledige afscherming is nodig

Gedetailleerde testresultaten toonden ook aan dat de veelgebruikte korte "pigtail" aansluiting voor de afscherming vaak ineffectief was (Afbeelding 2). Ook al is het maar een paar millimeter (mm) lang, de lage inductantie schaadt de prestaties bij hogere frequenties en kan zo een groot deel van de prestaties van het schild teniet doen. Erger nog, het onschuldige pigtail-aansluitpunt kan zelfs averechts werken door te fungeren als een straler van elektromagnetische energie (een antenne), waardoor meer EMI/RFI wordt uitgestraald in plaats van dat het alleen maar ineffectief is bij het dempen ervan.

Afbeelding 2: De onschuldig ogende pigtail-stijl afscherming op deze HDMI-kabel is niet alleen ineffectief, maar kan ook een contraproductieve elektromagnetische radiator zijn. (Bron afbeelding: Dana Bergey en Nathan Altland, via Interference Technology)

In plaats daarvan is een fysieke dekking van 360° bij de afscherming nodig, waar de meeste high-performance en MIL-standaarden om vragen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een volledige 360°-afsluiting (boven) is nodig voor maximale effectiviteit van de afscherming, in plaats van de snelle en gemakkelijke pigtail-aardeverbinding (onder). (Bron afbeelding: ResearchGate)

De noodzaak voor afsluitingen aan beide uiteinden met een niet-afgedekte 360°-dekking is het gevolg van natuurkundige factoren: naarmate de werkfrequenties toenemen tot in de honderden MHz's en GHz's, worden de overeenkomstige golflengtes korter. Dit betekent dat zelfs kleine gaten in de bedekking van het schild een letterlijk venster met mogelijkheden vormen voor signaalenergie om door te komen met weinig of geen verzwakking.

Samen met de hogere frequenties zijn de systemen van vandaag dicht opeengepakt. Dat betekent dat elk RF-verspreidingspadverlies tussen de aanvaller en het slachtoffer veel minder is, aangezien padverlies toeneemt met het kwadraat van de afstand. Zo kan zelfs een schijnbaar onbeduidende hoeveelheid onbedoeld agressorsignaal de circuits van het slachtoffer met een relatief hoge sterkte bereiken en beïnvloeden.

Het gebruik van een afscherming met een integriteit van 360°, zoals vaak het geval is bij individuele coaxkabels en connectoren, is zeker effectief met betrekking tot EMI/RFI-bescherming. Het gebruik van coaxiale kabel interfereert echter vaak met de hoge fysieke dichtheid die veel systemen nodig hebben.

Verder hebben veel krachtige systemen afscherming nodig over meerdere parallelle signaallijnen, zoals te zien is in twee basisscenario's:

- Voor interconnecties van bord tot bord, zoals tussen een moederbord en een mezzaninebord, met een enkele afscherming rond de meerdere lijnen

- Meerdere afgeschermde coaxkabels in één kabel, met één contrastekker

Enkele afscherming voor bord-naar-bordontwerpen

Het concept om een enkele afscherming te gebruiken voor meerdere signaallijnen is in principe eenvoudig. De meervoudige lijnen worden omhuld door een afscherming die over de huls is gevouwen en contact maakt met het omhulsel van de connector (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Door de afscherming rond de groep signaalgeleiders te wikkelen, worden de meerdere lijnen als groep afgeschermd. (Bron afbeelding: Samtec)

Deze aanpak lost het afschermingsprobleem op en vereist minimale extra printplaatruimte vergeleken met een niet-afgeschermde interconnectie. Het is belangrijk dat de afgeschermde multilijnconnector dezelfde basisprestaties levert als een niet-afgeschermde connector en tegelijkertijd zorgt voor een betrouwbare en consistente koppeling en ontkoppeling zonder de afscherming aan te tasten.

Een voorbeeld van deze multiline afgeschermde interconnectie is een 20-positie bord-naar-bord afgeschermd connectorpaar, Samtec's ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR-header en de ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR-socket (Afbeelding 5). Deze robuuste connectorstrips met hoge snelheid zijn ontworpen voor toepassingen met hoge snelheid (non-return to zero (NRZ) codering bij 28 gigabit per seconde (Gbits/s) en pulse amplitude modulatie (PAM4) op vier niveaus bij 56 Gbits/s) met hoge cycli.

Afbeelding 5: De 20-positie ERM8-header (links) en corresponderende ERF8-socket (rechts) bieden afgeschermde board-to-board connectiviteit. (Bron afbeelding: Samtec)

De connectors bieden contactvezels tot 1,5 mm en zijn voorzien van een robuuste vergrendeling, vergrendeling, 360° afscherming en zijn robuust wanneer ze worden "geritst" (getrokken met een niet-normale kracht buiten de as) tijdens het ontkoppelen. De snelle prestaties worden mogelijk gemaakt door Samtec's Edge Rate-contactsysteem, dat is ontworpen voor toepassingen met hoge snelheden en hoge cycli. Het is geoptimaliseerd voor signaalintegriteit door een vermindering van de brede koppeling en het heeft een glad, breed gefreesd contactoppervlak voor minder slijtage (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Om brede signaalkoppeling te verminderen, gebruiken de ERM8 en ERF8 een gepatenteerd Edge Rate-contactsysteem. (Bron afbeelding: Samtec)

De breed gefreesde contacten creëren een glad paringsoppervlak, in tegenstelling tot een gestanst contact dat op een gesneden rand pareert. Dit gladde paringsoppervlak vermindert de slijtagesporen op het contact, waardoor de duurzaamheid en levensduur van het contactsysteem toenemen. Het verlaagt ook de inbreng- en terugtrekkrachten.

Coaxiale kabels zijn ook nodig

Coaxkabels spelen een essentiële en onvervangbare rol bij signaaloverdracht, maar het gebruik van interconnects die slechts één coaxkabel ondersteunen kan frustrerend zijn als er meerdere parallelle signalen nodig zijn. Om deze situatie het hoofd te bieden, biedt Samtec een serie multiline afgeschermde coaxkabelconnectors die 20, 30, 40 en 50 posities ondersteunen. Een voorbeeld hiervan is de LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, een tweeslachtige opbouwconnector met 20 posities en zelfvergrendeling (afbeelding 7).

Afbeelding 7: De LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR is een 20-positie, zelfmatterende, hermafrodiete opbouwconnector met maximaal 50 posities. (Bron afbeelding: Samtec)

De LSHM is een robuuste connector met hoge dichtheid voor gebruik in bord-naar-bord- en bord-naar-kabeltoepassingen, met optionele afscherming voor EMI-bescherming. Dankzij het Razor Beam fijnmazige contactsysteem bespaart het tweeslachtige ontwerp ruimte op de printplaat in de X-, Y- en Z-as. Deze connector heeft een pitch van 0,50 mm en geeft een hoorbare klik bij het koppelen. De krachten bij het koppelen en loskoppelen zijn ongeveer vier tot zes keer zo groot als bij typische connectoren met een micro-pitch.

Deze op het bord gemonteerde connector is slechts de helft van het interconnectieverhaal, want er is een kabelassemblage nodig (Afbeelding 8). Deze assemblage maakt ook gebruik van Razor Beam-technologie met een pitch van 0,50 mm.

Afbeelding 8: De Razor Beam zelfmatterende coaxkabelsamenstellingen met fijne pitch bieden een complete multilijn printplaat-kabeloplossing. (Bron afbeelding: Samtec)

Een aanvullende kabel voor de genoemde 20-positie, printplaatbevestiging, afgeschermde multiline coaxiale connector is de HLCD-10-40.00-TD-TH-1, een één meter lange kabel met zelfmatterende, niet-genderde, tweeslachtige connectoren aan elk uiteinde (Afbeelding 9). Het maakt gebruik van 38 AWG micro-coax met een impedantie van 50 ohm (Ω) en is berekend op 14 Gbits/s per contact.

Afbeelding 9: Multiline 50 Ω micro-coaxiale kabelassemblages zoals de 20-positie HLCD-10-40.00-TD-TH-1 hebben zelfmatterende, niet-genderde, tweeslachtige connectors aan elk uiteinde. (Bron afbeelding: Samtec)

Het samenstellen

Om deze hogesnelheidsconnectors eenvoudiger te specificeren en te gebruiken, heeft Samtec het concept van printplaatlay-outs en connector SPICE-modellen van de fabrikant uitgebreid door referentieontwerpen aan te bieden voor een van de moeilijkste ontwerpproblemen op de printplaat: het kritieke "break out region" (BOR) rond de hogesnelheidsconnector. De signaalintegriteitsingenieurs van Samtec hebben een zogenaamde Final Inch Break Out Region ontwikkeld met aanbevelingen voor de printplaatspoorroutering voor veel van de series hogesnelheidsconnectoren.

Deze ontwerpaanbevelingen zijn gebaseerd op het gebruik van standaard plaatmaterialen, meerdere lagen en goedkope productieprocessen met een hoog rendement en vereisen geen speciale behandeling. Deze aanbevelingen kunnen ontwerp-, ontwikkelings- en validatietijd en -middelen besparen en zorgen voor een evenwicht tussen prestaties, produceerbaarheid en kosten.

Conclusie

Volledige elektrische afscherming van kabels, connectoren en interconnecties is essentieel voor de signaalintegriteit en prestaties van zowel bord-tot-bord- als bord-tot-kabelconfiguraties. Het afschermingsprobleem is lastiger wanneer er meerdere parallelle signalen zijn die moeten worden afgeschermd om EMI/RFI emissies of gevoeligheid voor deze emissies te voorkomen. Zoals te zien is, biedt Samtec verschillende families van multiline bord-naar-bord en coaxiale kabel-naar-bordinterconnects om het ontwerp en de productie te vereenvoudigen, met behoud van een hoog niveau van mechanische en elektrische integriteit en prestaties.