כיצד להבטיח שמחברי לוח-ללוח יעמדו בדרישות הרכבה וביצועים מהירים בכלי-רכב

מתכננים של מערכות רכב חייבים לבחור ולישם בזהירות מחברים כך שהם ימלאו את תפקידם באמינות מבחינה פיזית כמו גם חשמלית בסביבות בהן הם נתונים לטמפרטורות ולחות קיצוניות, זיהום ורעידות. עמידה ותמיכה בביצועי כלי-רכב ודרישות אמינות הופכות להיות יותר ויותר מאתגרות עם הפיכת כלי הרכב ל"מחשבים רבי-עוצמה על גלגלים". המחברים חייבים להיות מסוגלים לטפל ביותר קווי תמסורת בחללים צרים יותר עם מהירויות תקשורת של מספר גיגה-ביט לשנייה הנחוצות כדי להתאים לתקנים כגון 10GBASE-T1 ו-PCI Express גירסה 3 (PCIe 3.0‏).

כדי לעשות דברים אפילו יותר מאתגרים, חברות רכב דורשות נפחי יצור גבוהים מאוד, כך שחברות להרכבת אלקטרוניקה חייבות לפנות אל מכונות הרכבה מהירות-גבוהה כדי לעמוד בקצב. אולם, קשה לעמוד בקצבי ייצור ותפוקה גבוהים ובאותו הזמן למקם במדויק מחברים כך שמאוחר יותר הם יתחברו ללא בעיות.

ניתן לעמוד באתגרים אלה על ידי שימוש במחברים איתנים פיזית וחשמלית בעלי מגעים צפים הסופגים תזוזות מיקום או סטיות-מהישר הנגרמות במהלך הרכבה אוטומטית.

מאמר זה מתאר את האותות החשמליים, היישום הפיזי ודרישות הייצור איתם מתמודדים מחברי כלי-רכב. אחר כך, המאמר מציג מחברים צפים מבית JAE Electronics בהם מתכננים יכולים להשתמש כדי לעמוד בדרישות אלו. כלולים פרטים מדויקים על תקני תקשורת מהירות-גבוהה ובחירה ויישום של מחבר מתאים, ביחד עם הנחיות כיצד לבחור מחברים עבור פרוטוקולים של תקשורת מהירות-גבוהה ברכב כגון 10GBASE-T1 ו-PCI Express גירסה 3 (PCIe 3.0‏).

פרוטוקולים של תקשורת מהירות-גבוהה בקצרה

10GBASE-T1 הוא אחד מתוך‏ משפחה של תקני ‎10 gigabit Ethernet‏ (‏‎10 GbE‏) המציע תמסורת של מסגרות (Frames‏)‏ Ethernet‏ בקצב של ‏10 גיגה-ביט לשנייה (Gbps‏). ה-10GBASE-T1‏ הוא פתרון “Ethernet ברכב‏” העובד תוך שימוש בכבלי זוג-שזור לאורך מרחקים של עד 15 מטר (m). קצב העברת הנתונים של Gbps‏ 10‏ הוא תקן התקשורת המהיר ביותר ברכב, והוא יכול לתמוך ביישומים כגון נהיגה אוטונומית.

PCIe 3.0‏ הוא תקן אפיק הרחבת מחשב טורי מהירות-גבוהה נוסף. הוא מספק עד 8 ג'יגה-העברות (gigatransfers) לשנייה (GTps). במימוש high-end של “x16‏ נתיבים”, 8‎ GTps שווה ערך לקצב העברת נתונים מצרפי של 126‎ Gbps‏.

מסורתית משמשת כאפיק‏ מהירות-גבוהה במחשבי PC, הטכנולוגיה מופנית עכשיו‏ אל יישומי רכב עבור כלי-הרכב של העתיד מאחר ותכנון החומרה מבטיח שמנות נתונים משודרות מגיעות אל יעדן. זה מעניק מערכת אמינה ביותר המתאימה עבור נהיגה אוטונומית.

מחברים עבור תקשורת מהירות-גבוהה ברכב

פרוטוקולים של תקשורת מהירות-גבוהה דורשים מחברים באיכות גבוהה. מחברים אלה צריכים לספק לא רק חיבור אמין ואיתן כדי להבטיח signal integrity מעולה, אלא הם גם חייבים להיות קלים יחסית לניתוק ולחיבור חוזר לאורך שנים רבות של שירות. הם גם חייבים להיות מסוגלים לאכסן פינים ושקעי קיבול רבים בפסיעה קטנה כדי להבטיח גודל קומפקטי עם חיבוריות מרובת נתיבים.

דוגמה של משפחת‏ מחברים מודרנית עבור פרוטוקולים של תקשורת מהירות-גבוהה כמו 10GBASE-T1 ו-PCIe 3.0‏ היא סדרת ה-MA01 מבית JAE Electronics. מחברים אלה מציעים מאפיינים כמו מגעים בעלי משטח מעוגל ומבנה מגע שתי-נקודות כדי להבטיח חיבורים מכניים וחשמליים בטוחים אפילו תחת הרעידות, הזעזועים והטמפרטורות הקיצוניות האופיניות ליישומי רכב (איור 1).

איור 1‏: מחברי סדרת ה-MA01 מתאפיינים בחיבור מגע‏ שתי-נקודות המסייע לשמור על רציפות חשמלית במהלך זעזועים ורעידות. (מקור תמונה: JAE Electronics)

מוצעים עם גבהי חיבור בין 8 ו-30 מילימטר (mm) (איור 2‏) ומסוגלים להעביר נתונים במהירות של Gbps‏ 8‏ הנדרשת על ידי ‏‎10 GBASE-T1 ו-PCIe 3.0‏, מחברי סדרת ה-MA01 הם אידיאליים עבור יישומים כגון יחידות בקרה דיגיטלית לוח-ללוח בכלי-רכב. המחברים מתאפיינים בכוחות תחיבה והסרה נמוכים וכוללים מפתוח כדי למנוע חיבור לא נכון. המחברים מתאפיינים בתחום טמפרטורות עבודה רחב של 40- עד ‎125°C.

איור 2‏: מחברי סדרת ה-MA01 זמינים בגבהי חיבור מ-8 עד 30 מ"מ. (מקור תמונה: JAE Electronics)

דוגמה אחת מהסדרה היא ה-MA01F030VABBR300. מחבר זה הוא מחבר לוח-ללוח, תמסורת מהירות-גבוהה, בדרגת רכב.‏ הוא בעל 30 מגעים עם פסיעה של 0.635 מ"מ בתוך‏ גוף במידות 20.925 x‏ 8.8 x‏ 12.3 מ"מ. המגעים עשויים מסגסוגת נחושת עם שכבת ציפוי זהב בעובי של ‏0.1‏ מיקרומטר (µm‏) (מינימום). המפרטים החשמליים של המחבר הם זרם נקוב של ‏0.5‏ אמפר (A‏) ומתח נקוב של 50 וולט AC‏. הוא מתוכנן עבור עד 100 מחזורי חיבור-ניתוק.

ה-MA01F030VABBR300 מתוכנן להתחבר עם ה-MA01R030VABBR600 ליצירת חיבורי לוח-ללוח עבור יישומי רכב מהירות-גבוהה (איור 3‏).

איור 3‏: ה-MA01F030VABBR300 (תחתית) כולל 30 מיקומי-מגע ומתחבר עם ה-MA01R030VABBR600 ליצירת חיבור‏ לוח-ללוח מהירות-גבוהה איתן ואמין. (מקור תמונה: JAE Electronics)

להתגבר על אתגרי הרכבה

ייצור אלקטרוניקה בנפח גדול דורש את השימוש בטכנולוגיה של הרכבת רובוט. עם זאת, למכונות מיקום אוטומטי המשמשות עבור המטלה יש מגבלות מכניות. כתוצאה מכך יכולים להיות טולרנסים במיקום רכיבים. בעוד שגיאות מיקום קטנות הן אופייניות ואינן מהוות בעיה עבור רכיבים אקטיביים ופסיביים, הן יכולות לגרום לבעיות כשמחברים מחברים מרובי-מיקום-מגע בעלי פסיעה קטנה. הבעיה מחריפה מאחר ‏ומחבר אופייני אינו מהווה משטח שטוח עבור נחיר הוואקום של מכונת המיקום כדי לגרום לאחיזה טובה.

עם פסיעות פין-לפין אופייניות של פחות ממילימטר, אין צורך בסטיה-מהישר משמעותית כדי שבמהלך נסיון חיבור של מחברים ינזקו מגעים.

כדי להתגבר על זה, ה-JAE MA01F030VABBR300 כולל טכנולוגיית מגע צף המאפשרת תנועה של 0.5‏± מילימטר בכיווני X‏ ו-Y. ציפה זו עוזרת לתקן תזוזות מיקום או סטיה-מהישר הנגרמות בזמן הרכבה על ידי מכונה אוטומטית. המחברים מגיעים עם כיסוי‏ ניתן להסרה המספק אחיזה בטוחה עבור נחירי הוואקום של מכונת המיקום. הכיסוי משמש גם עבור מניעת כניסה של גופים זרים לאזור החיבור לפני הרכבת המחבר (איורים 4 ו-‏5‏).

איור 4‏: ה-MA01F030VABBR300 הוא החצי התחתון של חיבור MA01 זה וכולל טכנולוגיית מגע צף, דבר המאפשר תנועה של 0.5‏± מ"מ בכיווני X‏ ו-Y‏. ציפה זו עוזרת לתקן תזוזות מיקום או סטיה-מהישר הנגרמות בזמן הרכבה. (מקור תמונה: JAE Electronics)

איור 5: סדרת ה-MA01 מסופקת עם כיסוי ניתן להסרה המאפשר לנחיר הוואקום של מכונת המיקום לאחוז היטב במחבר. (מקור תמונה: JAE Electronics)

הצד הנקבי של מחבר הלוח-ללוח, ה-MA01R030VABBR600,‏ הוא מחבר קשיח כי רק צד אחד של החיבור חייב לצוף כדי להתאים את עצמו לטולרנסים של מיקום.

מאפיין נוסף של מחברי סדרת ה-MA01 המקל על תהליך ההרכבה ‏הוא מראה ברור של חיבורי ההלחמה היכן שהמחבר פוגש את לוח המעגל המודפס. מחברים קונבנציונליים בדרך כלל מסתירים חיבורי הלחמה אלו, דבר המקשה על בדיקה ומגדיל את הסכנה של תקלות בזמן עבודה (איור 6).

איור 6‏: ‏מחבר הרכבה-צדדית מסדרת ה-MA01 מראה כיצד התכן מקל על בדיקת איכות חיבורי ההלחמה היכן שהמחבר מוצמד ללוח המעגל המודפס. (מקור תמונה: JAE Electronics)

להבטיח חיבור ללא בעיות

טכנולוגיית המחבר הצף של סדרת ה-MA01 היא שימושית כשמפצה על שגיאות מיקום בהרכבה, אך סטיה-מהישר גדולה יותר יכולה לקרות כשהמחברים מהודקים ידנית. חוסר יישור כזה יכול לקרות לרוב כשלוחות המעגל המודפס העליון והתחתון הנושאים את שני חצאי המחבר מחוברים בצורה "עיוורת" ובכך קל מאוד להגיע לסטיה-מהישר של המגעים העדינים. גרוע יותר, המחבר יכול לתת את התחושה של התחברות נכונה למרות שהמגעים ניזוקו במהלך התהליך. סטיה-מהישר כזאת יכולה לקרות בשני הכיוונים האופקיים X ו-Y.

מחברי ה-JAE כוללים פינים-מנחים (guideposts) המונעים חיבור לא תקין, אפילו אם המחברים סוטים מהישר משמעותית בכיוון X או Y‏ או שניהם בתהליך החיבור. הפין-המנחה יצוק בגוף המחבר ומכוון את שני החצאים של המחבר לפוזיציה של התחברות נכונה (איורים ‏7, 8 ו-9).

איור 7‏: כשסוטה מן הישר בכיוון ה-X‏, הפין-המנחה בסדרת JAE Electronics MA01 מכוון את החצי העליון של המחבר לאוריינטציה אנכית. (מקור תמונה: JAE Electronics)

איור 8‏: בכיוון ה-Y‏, הפינים-המנחים מונעים סטיה-מהישר גדולה, שאחרת היתה גורמת נזק למגעים. (מקור תמונה: JAE Electronics)

איור 9‏: כששני לוחות מחוברים בתחיבת מחבר עיוורת, הפינים-המנחים מפצים על סטיה-מהישר של עד 1 מ"מ. (מקור תמונה: JAE Electronics)

לאחר החיבור, מאפיין המגע הצף של המחבר מאפשר לו לספוג את הזעזועים והרעידות האופייניים ליישומי רכב ללא סכנה של נזק למגעים.

בחירת מחבר מהירות-גבוהה

תכנון מערכות תקשורת מהירות-גבוהה הוא מסובך. אפילו לפני שהמתכנן מתחיל לשקול את ה-signal integrity של מחבר נתון, העריכה של לוח המעגל המודפס חייבת לקחת בחשבון גורמים כגון עכבות מטרה וניתוב של ערוצי האותות ההפרשיים מהירות-גבוהה כדי להגביל ערב-דיבור (Crosstalk‏) והפסדים. עם זאת, בהנחה שהמתכנן לקח בחשבון גורמי תכנון חשובים אלה ואחרים, המחבר יכול לשחק תפקיד חשוב ברוחב-הפס, קצב העברת הנתונים הגולמיים וה-signal integrity האולטימטיביים של המערכת.

הדבר הראשון שיש לבדוק כשבוחרים מחבר מהירות-גבוהה הוא רוחב-הפס המקסימלי עבור פרוטוקול התקשורת הרצוי. אין טעם לתכנן מערכת שיכולה לעבוד במהירות גבוהה אם המחבר אינו יכול לטפל בתדר העבודה של הפרוטוקול. דרך פשוטה לעשות את זה היא לבחור מחברים המוסמכים כתואמים לתקני הפרוטוקול הרלוונטי. כך, המתכנן יכול להיות בטוח שהמחבר תוכנן במיוחד להבטיח קצב העברה ורוחב-פס מקסימליים.

מחבר‏ תואם יכלול גם את עכבת המטרה עבור הפרוטוקול מטרה הרלוונטי (אופיינית 50 אוהם‏ (Ω‏)). גורמי בחירה אחרים כגון החומר ממנו עשוי המחבר, סגנון הרכבה על הלוח ומידות הם חשובים, אך יש להם פחות השפעה על signal integrity.

בעוד הסמכת תאימות תיתן למתכנן ביטחון שהמחבר יכול לעשות את העבודה, חשוב לבדוק את המחבר ברשימת המועדפים על לוח מעגל מודפס בדיקה בעל סידור דומה או זהה לפריט הייצור. גיליון הנתונים או בדיקת המחבר לבד אולי לא יציגו בעיות signal integrity שיכולות לקרות בשימוש של עולם אמיתי. בדיקה על מכלול אב-טיפוס תיתן אינדיקציה ברורה של החזרות אות ו/או בעיות עיוות.

המדידות העיקריות עבור קביעת ה-signal integrity של המחבר הן ה-S-Parameters‏ ודיאגרמת העין (eye diagram). ה-S-Parameters‏ מציינים החזרת אות והפסדי שילוב (insertion losses) במרחב התדר. יש למדוד אותם עבור המעגל העובד עם המחבר מורכב, ואחר כך בהשוואה לתוצאות עם המחבר המוסר כדי להעריך את השפעתו על signal integrity.

דיאגרמת עין (eye diagram) מיוצרת אוסצילוסקופ‏ היא ויזואליזציה של ביצועי המעגל במרחב הדיגיטלי. זו השיטה הסטנדרטית עבור ויזואליזציה של הפסדים, ערב-דיבור (Crosstalk‏), הפרעה בין סימנים ( intersymbol interference‏ (ISI)) וקצבי שגיאות סיביות (bit error rates). שוב, יש לבצע את הבדיקות עם וללא המחבר כדי לקבוע את השפעתו על signal integrity.

מסקנה

מאתגר למתכננים לעמוד בדרישות התובעניות הפיזיקליות והחשמליות של מחברי לוח-ללוח לרכב, תוך כדי גם מניעת נזק למחבר בשל מיקום לקוי וטולרנס סטיה-מהישר בזמן הרכבה אוטומטית במהירות-גבוהה. מתכננים יכולים להתגבר על האתגרים על ידי שימוש במחברים מסדרת MA01 של JAE Electronics.

כמתואר, מחברי ה-MA01 תואמים עם פרוטוקולים של תקשורת מרובי-Gigabit‏ ומציעים פתרון איתן ואמין עם תחיבה וניתוק התנגדות-נמוכה. יתר על כן, המחברים גם תוכננו עם מחשבה על הרכבה מהירה. מאפיינים כמו כיסויים ניתנים להסרה, מחברים צפים ופינים-מנחים מאפשרים טולרנסים גדולים יותר בהרכבה על לוח וחיבור לוח-ללוח עיוור ללא הסיכון של סטיה-מהישר ונזק למגעים.