השתמשו במחברים מסוככים כדי להשיג חיבוריות אמינה במהירות-גבוהה בגורמי צורה צפופים וקומפקטיים

סיכוך חשמלי הוא שיקול תכנון וייצור שהיה ברשימת הדאגות של המהנדסים מאז ימיה הראשונים של האלקטרוניקה, אך הוא מדאיג יותר ויותר ככל שקצבי הנתונים עולים ומערכות הופכות להיות קטנות יותר ומשולבות באופן הדוק יותר, עם יותר קווי אותות בסמיכות רבה יותר. מגמות אלו מסבכות במידה רבה מה שאחרת הוא מושג פשוט: למנוע מאותות חיצוניים בלתי-רצויים מלהגיע ולהשפיע על מוליך הנושא אותות, ולמנוע קרינה כלפי חוץ של אנרגיית אותות רצויים והשפעה על מוליכים ומעגלים סמוכים.

כדי להיות אפקטיבי, הסיכוך חייב להקיף במלואו את המוליכים הפעילים, ליצור מחסום מוליך של °‏360‏ לאורך הנתיב השלם, כולל מחברי הסיומת. כדי להשיג את זה, מתכננים רבים מניחים שהם חייבים להשתמש בכבלים ומחברים קואקסיאליים, כי סיכוך הכבל הפנימי ניתן לסיומת תוך שמירה על שלמות הסיכוך ב-°‏360‏. עם זאת, צפיפות הערוצים המקומית המתקבלת היא נמוכה, כך שגישה זו אינה מתאימה לעמידה בדרישות חשמליות ופיזיקליות של מהירות-גבוהה וצפיפות-גבוהה של יישומי חיברורי לוח-ללוח ולוח-ללוח-אם-אחורי (Backplane) רבים. הפתרון הוא לבחור בחיברורים מסוככים במלואם עם מהירות-גבוהה. אלה תומכים במספר גדול של נתיבי אותות בבית מחבר מסוכך במלואו יחיד.

מאמר זה דן בקצרה במושגי יסוד של סיכוך והאתגרים העומדים בפני המתכננים כשמממשים חיברורים של מספר ערוצים גדול, וסיכוך היכן שכבלים קואקסיאליים ערוץ-יחיד רבים יהיו בעלי גודל מצרפי חריג ומסורבל. המאמר מראה מדוע סיכוך מקיף מלא של °‏360‏ הוא קריטי במיוחד, ומשתמש במספר משפחות מחברים מסוככים של Samtec‏ כדי להדגים פרקטיקות תכנון ומימוש טובות ביותר עבור תקינות אותות במהירות-גבוהה במקומות מוגבלים.

נתחיל עם מושגי היסוד של סיכוך

כבלים והחיברורים (מחברים) שלהם הם חלק חיוני של כמעט כל המערכות. הם יכולים לחבר לוח-אם אל לוח ביניים (Mezzanine),‏ לוח אל פנל משתמש, ממשק מיוחד או סידור כניסה/יציאה (I/O). כדי לשמור על תקינות האותות, החיברור חייב לתמוך ברוחב-הפס של האותות וגם להיות חסין להפרעות אלקטרומגנטיות/הפרעות תדר רדיו (EMI/RFI‏). במקביל, הוא חייב גם למנוע קרינה של EMI/RFI‏ לחיברורים, לוחות או רכיבים סמוכים, במיוחד אלה המעבירים אותות רגישים או ברמה-נמוכה.

הסיכוך מנחית את ההשפעות של הפרעות אלקטרומגנטיות והפרעות תדר-רדיו. תלוי היכן וכיצד ממוקם, הוא עשוי להנחית בעיקר את הרעש קרוב למקורו (לפעמים נקרא "תוקפן" הרעש), או לחסום אותו מלהגיע אל מעגלים רגישים לרעש (ה“קורבן”) (איור 1‏).

איור 1‏: פונקציות סיכוך כמחסום בין מקור תוקפן ובין קורבן תמים, שלא במתכוון, של EMI ו-RFI שלו. (מקור התמונה: Journal of Computer Science and Engineering באמצעות Arvix‏)

שימו לב שמוליך נתון יכול להיות גם תוקפן פולט “אשכול” אחד של‏ אנרגיית EMI/RFI‏ וגם הקורבן של אנרגיה ממקור אחר. יתרה מכך, תוקפן EMI/RFI‏ אינו חייב להיות מקור חיצוני כלשהו שלא קשור למוצר; הוא בקלות יכול להיות חלק אחר של המערכת הפועל כתוקפן שלא במתכוון על ידי קרינת אנרגיה אל מוליך או רכיב סמוך.

קיימים קווים מנחים ומה שנקרא "חוקי אצבע" רבים סביב כיצד והיכן ליצור סיומת להגנת ההארקה של כבלים וחיברורים אלה כדי לחסום או להנחית משמעותית את העברת אנרגיית הרעש בין תוקפן לקורבן. למרבה הצער, לא רק שקווים מנחים אלה מתנגשים לעתים קרובות, אך התשובה הנכונה או הטובה ביותר לעתים קרובות נראית כתלויה בפרטי הסידור. בין הקווים המנחים המוצעים נמצאים:

• סיומת (הארקה) של שתי הקצוות של הסיכוך.
• סיומת (הארקה) של קצה אחד בלבד, בצד המקור.
• סיומת (הארקה) של צד אחד בלבד, בצד הקולט.

אינטואיטיבית, נראה שלא כולם יכולים להיות נכונים, או אולי הם יכולים, תלוי בפרטי התכן וכמה ניחות דרוש. בדיקות מעבדה מקיפות הראו שעבור סיכוך אפקטיבי בתחום הגיגה-הרץ (GHz), שתי קצוות הסיכוך חייבות להיות עם סיומת; במילים אחרות, הסיכוך חייב להיות רציף וללא-הפסקות.

הכללים גמישים במידת מה בתדרי האודיו ובתדרי ה-RF הנמוכים יותר. עם זאת, סיומת הסיכוך בקצה אחד בלבד יכולה להיות מספיקה עבור יישומים בסביבות 1 מגה-הרץ (MHz‏), אך אינה מתאימה עבור עשרות MHz‏ ומעלה.

דרוש סיכוך מלא

תוצאות בדיקה מפורטות גם הראו כיצד סיומת "Pigtail‏" הקצרה והנפוצה הייתה לרוב לא יעילה עבור הסיכוך (איור 2‏). אפילו אם באורך של מילימטרים (mm) בודדים, ההשראות הנמוכה שלו פוגעת בביצועיו בתדרים גבוהים יותר וכך יכולה לנטרל חלק ניכר מביצועי הסיכוך. גרוע מכך, סיומת Pigtail‏ הלא-מזיקה יכולה למעשה להביא לתוצאה הפוכה מהתוצאה המבוקשת עקב פעולתה כמקרן של אנרגיה אלקטרומגנטית (אנטנה), המקרינה יותר EMI/RFI‏ במקום להיות רק לא-יעילה בהנחתה שלה.

איור 2: סיומת הסיכוך התמימה-למראה בסגנון זנב חזיר על כבל HDMI‏ זה אינה רק לא-יעילה אלא יכולה להיות מקרן אלקטרומגנטי המביא לתוצאה הפוכה מהתוצאה המבוקשת. (מקור התמונה: Dana Bergey and Nathan Altland, באמצעות Interference Technology)

במקום זה, מה שנחוץ הוא כיסוי פיזי של °‏360‏ בסיומת הסיכוך, וזה מה שנדרש במרבית תקני הביצועים-העיליים וה-MIL (איור 3‏).

איור 3: סיומת מלאה של °‏360‏ (למעלה) נחוצה עבור יעילות סיכוך מקסימלית, במקום החיבור להארקה המהיר והקל של Pigtail‏ (למטה). (מקור התמונה: Researchgate‏)

הצורך בסיומת בשני הקצוות עם כיסוי של °‏360‏ ללא-מרווחים הוא בשל הפיזיקה: עם העלייה בתדרי הפעולה לתחום של מאות MHz‏ ו-GHz‏, אורכי הגל המתאימים נעשים קצרים יותר. המשמעות היא שאפילו חריצים קטנים בכיסוי הסיכוך מיצגים למעשה חלון של הזדמנות עבור אנרגיית האותות לעבור עם מעט או ללא ניחות.

יחד עם תדרים גבוהים יותר, המערכות של היום ארוזות בצפיפות. המשמעות היא שכל הפסדי נתיב התפשטות ה-RF בין התוקפן לקורבן הם קטנים בהרבה, כיוון שהפסדי הנתיב גדלים עם ריבוע המרחק. כך, אפילו כמות זניחה לכאורה של אות תוקפני שלא-במתכוון עלולה להגיע ולהשפיע על מעגל קורבן בעוצמה גבוהה יחסית.

השימוש בסיכוך שלם של °‏360‏ הוא לרוב טיפוסי לכבלים ומחברים קואקסיאליים אינדיבידואליים, והוא בוודאי אפקטיבי ביחס להגנת EMI/RFI‏. עם זאת, שימוש בכבל קואקסיאלי מפריע לרוב לצורכי הצפיפות הפיזית הגבוהה של מערכות רבות.

יתרה מכך, מערכות ביצועים-עיליים רבות זקוקות לסיכוך על פני מספר קווי אותות, כפי שנראה בשני תרחישים בסיסיים:

• עבור חיברורי לוח-ללוח, כגון בין לוח-אם ולוח-ביניים (Mezzanine), עם סיכוך יחיד סביב מספר קווים

• מספר כבלים קואקסיאליים מסוככים במכלל כבל יחיד, עם מחבר חיבור יחיד

סיכוך יחיד עבור תכני לוח-ללוח

הקונספט של שימוש בסיכוך יחיד עבור מספר קווי אותות הוא פשוט בעיקרון. הקווים עטופים בסיכוך המקופל מעל טבעת ההידוק (Ferrule), תוך יצירת מגע עם מעטה המחבר (איור 4‏).

איור 4‏: על ידי עיטוף הסיכוך סביב קבוצת מוליכי האותות, כל הקווים מסוככים כקבוצה. (מקור התמונה: Samtec)

גישה זו פותרת את בעיית הסיכוך ודורשת מקום נוסף מינימלי בלוח בהשוואה לחיברור לא-מסוכך. חשוב שהמחבר הרב-קווי המסוכך יספק את אותם הביצועים של קו-אותות בסיסי כמו מחבר לא-מסוכך, תוך הבטחת חיבור וניתוק אמינים ועקביים מבלי לסכן את הסיכוך.

דוגמה של חיברור מסוכך רב-קווים זה הוא זוג מחברים מסוככים לוח-ללוח עם 20-מיקומים, פס-הפינים ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR והשקע ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR של Samtec (איור 5‏). פסי מחבר למהירות-גבוהה חסונים אלו מתוכננים עבור יישומי מהירות-גבוהה (קידוד לא-חוזר לאפס (NRZ) ב-28 גיגה-ביט לשנייה (Gbits/s‏) ואפנון אמפליטודת פולס ארבע-רמות (PAM4) ב-Gbits/s‏ 56‏) עם מחזור-גבוה.

איור 5: פס-הפינים ERM8‏ עם 20-מיקומים (משמאל) והשקע המתאים ERF8‏ (מימין) מספקים חיבוריות לוח-ללוח מסוככת. (מקור התמונה: Samtec)

המחברים מספקים שטח מגע של עד 1.5 מ"מ וכוללים נעילה עמידה עם בריח וסיכוך של °‏360‏, והם חסונים כשהם "מרוכסנים" (נמשכים בכוח לא-רגיל ולא בכיוון הציר) במהלך ניתוק. ביצועי מהירות גבוהה מאופשרים על ידי מערכת המגעים Edge Rate‏ של Samtec‏, המתוכננת עבור יישומי מהירות-גבוהה ומחזור-גבוה. המערכת ממוטבת במיוחד עבור תקינות אותות באמצעות הפחתת צימוד צד-רחב, ויש לה משטח מגע חלק עם עיבוד-רחב עבור בלאי מופחת (איור 6‏).

איור 6: כדי להקטין את צימוד הצד-הרחב של האותות, ה-ERM8 ו-ERF8 משתמשים במערכת המגעים הקניינית Edge Rate. (מקור התמונה: Samtec)

המגעים עם עיבוד-רחב יוצרים שטח משטח חיבור חלק, בניגוד למגעים מוטבעים המתחברים בקצה חתוך. משטח חיבור חלק זה מקטין את עקבות הבלאי על המגעים, משפר את העמידות ומגדיל את אורך חיי מערכת המגעים. הוא גם מקטין את כוחות התחיבה והניתוק.

כבלים קואקסיאליים נחוצים גם כן

לכבלים קואקסיאליים יש תפקיד חיוני וללא-תחליף בהעברת אותות, אך שימוש בחיברורים התומכים אך ורק בכבל קואקסיאלי יחיד יכול להיות מתסכל כשנדרשים מספר אותות במקביל. כדי לטפל במצב זה, Samtec‏ מציעה משפחה של מחברי כבל קואקסיאלי רבי-קווים התומכת ב-20‏, 30‏, 40 ו-50 מיקומים. בין אלה יש את ה-LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR‏, מחבר הרמפרודיטי עם 20 מיקומים והתחברות-עצמית להרכבה-משטחית (איור 7).

איור 7‏: ה-LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR‏ הוא מחבר הרמפרודיטי עם 20 מיקומים והתחברות-עצמית להרכבה-משטחית עם עד 50 מיקומים. (מקור התמונה: Samtec)

ה-LSHM‏ הוא מחבר עמיד בצפיפות-גבוהה עבור שימוש ביישומי לוח-ללוח ולוח-לכבל, עם סיכוך אופציונלי עבור הגנת EMI. עם מערכת המגעים בפסיעה-עדינה Razor Beam‏ שלו, התכן ההרמפרודיטי חוסך מקום בלוח המעגלים המודפסים (לוח pc) בצירי ה-X‏, Y‏ ו-Z‏. למחבר זה יש פסיעה של 0.50 מ"מ והוא מספק קליק נשמע בחיבור, עם כוחות חיבור וניתוק גדולים פי ארבעה עד שישה ממחברי מיקרו-פסיעה טיפוסיים.

מחבר זה להרכבה על לוח הוא רק חצי סיפור החיברור, כיוון שדרוש גם מכלל כבל (איור 8‏). מכלל זה משתמש גם הוא בטכנולוגיית Razor Beam‏ עם פסיעה של 0.50 מ"מ.

איור 8: מכללי כבל קואקס עם התחברות-עצמית ופסיעה-עדינה Razor Beam מספקים פתרון לוח-לכבל רב-קווים שלם. (מקור התמונה: Samtec)

מכלל כבל משלים עבור מחבר קואקסיאלי מסוכך רב-הקווים להרכבה על לוח עם 20-מיקומים שהוזכר הוא ה-HLCD-10-40.00-TD-TH-1, כבל באורך מטר אחד עם מחבר התחברות-עצמית הרמפרודיטי ללא-מין בכל קצה (איור 9‏). הוא משתמש במיקרו-קואקס AWG‏ 38‏ עם אימפדנס של 50 אוהם (Ω) בדירוג של עד Gbits/s‏ 14‏ לכל מגע.

איור 9‏: מכללי כבל מיקרו-קואקסיאליים Ω‏ 50‏ רבי-קווים כמו ה-HLCD-10-40.00-TD-TH-1 עם 20 מיקומים כוללים מחבר התחברות-עצמית הרמפרודיטי ללא-מין בכל קצה. (מקור התמונה: Samtec)

מרכיבים הכול ביחד

כדי להפוך מחברי מהירות-גבוהה אלה לקלים יותר להגדרה ולשימוש, Samtec‏ הרחיבה את הרעיון של יצרן פריסות לוח מעגלים מודפסים ודגמי מחבר SPICE על ידי היצע של תכני ייחוס עבור אחת מבעיות התכנון הקשות ביותר על הלוח: "אזור הפילוג" (BOR) הקריטי סביב מחבר המהירות-הגבוהה. מהנדסי תקינות האותות של Samtec פיתחו מה שהם קוראים "אזור פילוג האינץ' האחרון" (Final Inch Break Out Region) עם המלצות המתייחסות לניתוב פסי מוליכים של לוח מעגלים מודפסים עבור הרבה מהסדרות של מחברי מהירות-גבוהה שלה.

המלצות תכנון אלו מבוססות על שימוש בחומרי לוח סטנדרטיים, מספר שכבות, עלות נמוכה, תהליכי ייצור בעלי תפוקה גבוהה שאינם דורשים טיפול מיוחד. המלצות אלו יכולות לחסוך זמן תכנון, פיתוח, תיקוף ומשאבים, ולאזן את הביצועים עם יכולת הייצור והעלות.

סיכום

סיכוך חשמלי שלם של כבלים, מחברים וחיברורים הוא קריטי עבור תקינות האותות והביצועים עבור תצורות הן לוח-ללוח והן לוח-לכבל. בעיית הסיכוך היא מאתגרת יותר כשישנם מספר אותות מקבילים החייבים להיות מסוככים כדי למנוע פליטות EMI/RFI‏ או רגישות מפליטות אלו. כמתואר, Samtec‏ מציעה משפחות שונות של חיברורים רבי-קווים לוח-ללוח וכבל-קואקסיאלי-ללוח כדי לפשט את התכנון והייצור, תוך כדי שמירה על רמה גבוהה של תקינות וביצועים מכניים וחשמליים.