วิธีตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดตรงตามข้อกำหนดการใช้งานและการประกอบยานยนต์ความเร็วสูง

นักออกแบบระบบยานยนต์จำเป็นต้องเลือกและใช้คอนเน็กเตอร์อย่างระมัดระวัง เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือทั้งทางกายภาพและทางไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมที่ต้องเผชิญอุณหภูมิและความชื้นสูง การปนเปื้อน และการสั่นสะเทือน การปฏิบัติตามและสนับสนุนข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของยานยนต์มีความท้าทายเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากยานยนต์กำลังจะกลายเป็น “คอมพิวเตอร์ติดล้อ” อันทรงพลัง คอนเน็กเตอร์ต้องสามารถจัดการกับสายส่งสัญญาณได้มากขึ้นกว่าเดิมในพื้นที่จำกัดด้วยความเร็วในการสื่อสารหลายกิกะบิตต่อวินาที ซึ่งจำเป็นสำหรับรองรับมาตรฐานต่าง ๆ เช่น 10GBASE-T1 และ PCI Express เวอร์ชัน 3 (PCIe 3.0)

บริษัทยานยนต์ต้องการปริมาณการผลิตที่สูงมาก ซึ่งทำให้มีความท้าทายมากยิ่งขึ้น ดังนั้นบริษัทประกอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จึงจำเป็นต้องหันไปใช้เครื่องประกอบความเร็วสูงเพื่อให้ทันต่อความต้องการ อย่างไรก็ตามก็เป็นเรื่องยากที่จะรักษาอัตราการผลิตและผลผลิตให้สูง อีกทั้งยังต้องวางตัวเชื่อมต่ออย่างแม่นยำเพื่อให้เชื่อมต่อกันอย่างแม่นยำโดยที่ไม่มีปัญหาในภายหลัง

ความท้าทายเหล่านี้สามารถแก้ไขได้โดยใช้คอนเน็กเตอร์หน้าสัมผัสแบบลอยตัวที่ทนทานทั้งทางด้านกายภาพและทางไฟฟ้าที่รองรับตำแหน่งที่คอนเน็กเตอร์ที่เยื้องหรือไม่ตรงกันที่พบระหว่างการประกอบอัตโนมัติ

บทความนี้จะอธิบายถึงสัญญาณไฟฟ้าและการใช้งานจริง และความต้องการด้านการผลิตที่คอนเน็กเตอร์ยานยนต์ต้องเผชิญ จากนั้นจะแนะนำคอนเน็กเตอร์แบบลอยตัวจาก JAE Electronics ที่นักออกแบบสามารถใช้เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ได้ นอกจากนั้นยังรวมข้อมูลเฉพาะเกี่ยวกับมาตรฐานการสื่อสารความเร็วสูงและการเลือกคอนเน็กเตอร์และการใช้งานที่เหมาะสม รวมถึงคำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการเลือกคอนเน็กเตอร์สำหรับโปรโตคอลการสื่อสารยานยนต์ความเร็วสูง เช่น 10GBASE-T1 และ PCI Express เวอร์ชัน 3 (PCIe 3.0)

โปรโตคอลการสื่อสารความเร็วสูงโดยสังเขป

10GBASE-T1 เป็นหนึ่งในตระกูลมาตรฐาน 10 กิกะบิตอีเธอร์เน็ต (10 GbE) ที่ให้การส่งเฟรมอีเทอร์เน็ตที่อัตรา 10 กิกะบิตต่อวินาที (Gbps) 10GBASE-T1 เป็นโซลูชัน “อีเธอร์เน็ตในยานยนต์ (Automotive Ethernet)” ที่ทำงานโดยใช้สายคู่บิดเกลียวในระยะทางสูงสุด 15 เมตร (ม.) อัตราการรับส่งข้อมูล 10 Gbps เป็นมาตรฐานการสื่อสารยานยนต์ที่เร็วที่สุด และสามารถรองรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น การขับขี่อัตโนมัติ

PCIe 3.0 เป็นมาตรฐานบัสส่วนขยายของคอมพิวเตอร์อนุกรมความเร็วสูงอีกรุ่นหนึ่ง ให้อัตราการถ่ายโอนข้อมูลสูงถึง 8 กิกะทรานสเฟอร์ต่อวินาที (GTps) ในการใช้งาน "x16 เลน" ระดับไฮเอนด์ 8 GTps เท่ากับอัตราการถ่ายโอนข้อมูลโดยรวมที่ 126 Gbps

เดิมที่มาตรฐานนี้ใช้เป็นบัสความเร็วสูงในพีซี ปัจจุบันเทคโนโลยีนี้มีมุ่งเป้าไปที่การใช้งานในยานยนต์สำหรับยานยนต์แห่งอนาคต เนื่องจากการออกแบบฮาร์ดแวร์จะรับประกันว่าแพ็คเกจข้อมูลที่ส่งจะถึงปลายทางที่ต้องการ ซึ่งทำให้ระบบมีความน่าเชื่อถือสูงและเหมาะสำหรับการขับขี่อัตโนมัติ

คอนเน็กเตอร์สำหรับการสื่อสารในยานยนต์ความเร็วสูง

โปรโตคอลการสื่อสารความเร็วสูงต้องการคอนเน็กเตอร์คุณภาพสูง ไม่เพียงแต่ต้องมีการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้เพื่อให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ดีเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังต้องถอดออกและเชื่อมต่อใหม่ได้อย่างไม่ยากเย็นตลอดอายุการใช้งานหลายปีอีกด้วย นอกจากนั้นยังต้องสามารถรองรับพินและเต้ารับจำนวนมากบนพิทช์ขนาดเล็กเพื่อให้แน่ใจว่ามีขนาดกะทัดรัดพร้อมการเชื่อมต่อแบบหลายเลน

ตัวอย่างของตระกูลคอนเน็กเตอร์สมัยใหม่สำหรับโปรโตคอลการสื่อสารความเร็วสูง เช่น 10GBASE-T1 และ PCIe 3.0 คือ คอนเน็กเตอร์ซีรีส์ MA01 จาก JAE Electronics คอนเน็กเตอร์ตระกูลนี้มีคุณสมบัติต่าง ๆ เช่น โครงสร้างหน้าสัมผัสแบบม้วนและหน้าสัมผัสแบบสองจุด เพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมต่อทางกลและทางไฟฟ้ามีความปลอดภัย แม้อยู่ภายใต้การสั่นสะเทือน การกระแทก และอุณหภูมิสูงมากตามการใช้งานยานยนต์ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: คอนเน็กเตอร์ซีรีส์ MA01 มีขั้วต่อแบบสัมผัสสองจุดที่ช่วยรักษาความต่อเนื่องทางไฟฟ้าระหว่างการกระแทกและการสั่นสะเทือน (แหล่งที่มาภาพ: JAE Electronics)

สามารถให้ความสูงในการซ้อนที่หลากหลายระหว่าง 8 และ 30 มิลลิเมตร (มม.) (รูปที่ 2) และสามารถส่งสัญญาณความเร็ว 8 Gbps ตามที่ 10 GBASE-T1 และ PCIe 3.0 ต้องการ คอนเน็กเตอร์ซีรีส์ MA01 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น หน่วยควบคุมยานยนต์แบบดิจิตอลระหว่างบอร์ด โดยคอนเน็กเตอร์มีแรงสอดแทรกและแรงดึงต่ำ และมีคีย์เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อที่ไม่ถูกต้อง คอนเน็กเตอร์มีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้างตั้งแต่ -40 ถึง 125°C

รูปที่ 2: คอนเน็กเตอร์ซีรีส์ MA01 มีความสูงในการซ้อนตั้งแต่ 8 ถึง 30 มม. (แหล่งที่มาภาพ: JAE Electronics)

ตัวอย่างหนึ่งจากคอนเน็กเตอร์ตระกูลนี้คือ MA01F030VABBR300 คอนเน็กเตอร์นี้เป็นคอนเน็กเตอร์ระหว่างบอร์ดสำหรับยานยนต์มีการส่งผ่านความเร็วสูง มีตำแหน่ง 30 ตำแหน่งบนระยะพิทช์ 0.635 มม. ภายในตัวเครื่องขนาด 20.925 x 8.8 x 12.3 มม. หน้าสัมผัสทำจากโลหะผสมทองแดงพร้อมชั้นชุบทองอย่างน้อย 0.1 ไมโครเมตร (µm) ข้อมูลจำเพาะทางไฟฟ้าของตัวเชื่อมต่อคือพิกัดกระแสไฟฟ้าที่ 0.5 แอมป์ (A) และแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ 50 โวลต์ ได้รับการออกแบบมาสำหรับรอบการเชื่อมต่อสูงสุด 100 รอบ

MA01F030VABBR300 ออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อกับ MA01R030VABBR600 เพื่อสร้างการเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดสำหรับการใช้งานยานยนต์ความเร็วสูง (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: MA01F030VABBR300 (ด้านล่าง) มี 30 ตำแหน่งและจับคู่กับ MA01R030VABBR600 เพื่อการเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดความเร็วสูงที่ทนทานและเชื่อถือได้ (แหล่งที่มาภาพ: JAE Electronics)

เอาชนะความท้าทายในการประกอบ

การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปริมาณมากต้องการใช้เทคโนโลยีการประกอบด้วยหุ่นยนต์ อย่างไรก็ตาม เครื่องจัดวางส่วนประกอบอัตโนมัติที่ใช้กับงานนี้มีข้อจำกัดทางกลไก ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการวางตำแหน่งส่วนประกอบ แม้ว่าข้อผิดพลาดของตำแหน่งเล็กน้อยจะเป็นเรื่องปกติและไม่เป็นปัญหาสำหรับส่วนประกอบแบบแอ็คทีฟและแบบพาสซีฟ แต่อาจทำให้เกิดปัญหาได้เมื่อเชื่อมต่อคอนเน็กเตอร์ที่มีระยะพิทช์ละเอียดแบบหลายตำแหน่ง ซึ่งปัญหาเกิดขึ้นเนื่องจากคอนเน็กเตอร์ทั่วไปไม่มีพื้นผิวเรียบสำหรับหัวดูดสูญญากาศของเครื่องจัดวางส่วนประกอบเพื่อให้ตำแหน่งที่เหมาะสม

ด้วยระยะพิทช์ระหว่างพินโดยทั่วไปที่น้อยกว่าหนึ่งมิลลิเมตร ทำให้ไม่ไม่สามารถเยื้องศูนย์ได้มากนักเมื่อเชื่อมต่อคอนเน็กเตอร์ ซึ่งทำให้หน้าสัมผัสเสียหาย

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ JAE MA01F030VABBR300 จึงมีเทคโนโลยีหน้าสัมผัสแบบลอยตัวที่ช่วยให้เคลื่อนที่ได้ ±0.5 มม. ทั้งในทิศทาง X และ Y หน้าสัมผัสแบบลอยตัวนี้แก้ไขการเลื่อนตำแหน่งหรือการเยื้องศูนย์ที่เกิดขึ้นระหว่างการติดตั้งโดยเครื่องจักรอัตโนมัติ คอนเน็กเตอร์มาพร้อมกับฝาปิดแบบถอดได้ซึ่งให้ตำแหน่งที่ปลอดภัยสำหรับหัวดูดของเครื่องจัดวางส่วนประกอบ ฝาปิดยังทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้เศษขนาดใหญ่เข้าสู่ส่วนที่มีการเชื่อมต่อก่อนที่จะติดตั้งคอนเน็กเตอร์ (รูปที่ 4 และ 5)

รูปที่ 4: MA01F030VABBR300 เป็นส่วนล่างของการเชื่อมต่อ MA01 นี้และมีเทคโนโลยีหน้าสัมผัสแบบลอยตัว ทำให้เคลื่อนที่ได้ ±0.5 มม. ในทิศทาง X และ Y สิ่งนี้จะช่วยแก้ไขการเลื่อนตำแหน่งหรือการเยื้องศูนย์ระหว่างการประกอบ (แหล่งที่มาภาพ: JAE Electronics)

รูปที่ 5: ซีรีส์ MA01 มาพร้อมฝาปิดแบบถอดได้ซึ่งช่วยให้หัวดูดสุญญากาศของเครื่องจัดวางส่วนประกอบทำงานได้ดี (แหล่งที่มาภาพ: JAE Electronics)

MA01R030VABBR600 ด้านตัวเมียของคอนเน็กเตอร์ระหว่างบอร์ดเป็นคอนเน็กเตอร์แบบแข็งเนื่องจากจำเป็นต้องเชื่อมต่อด้านเดียวเพื่อให้ลอยได้เพื่อรองรับตำแหน่งที่คลาดเคลื่อน

คุณสมบัติอีกอย่างของคอนเน็กเตอร์ซีรีส์ MA01 ที่ทำให้กระบวนการประกอบง่ายขึ้นคือมุมมองที่ชัดเจนของรอยต่อประสานที่คอนเน็กเตอร์บรรจบกับบอร์ดพีซี โดยทั่วไปแล้วคอนเน็กเตอร์ทั่วไปจะปิดบังรอยต่อประสานเหล่านี้ ทำให้การตรวจสอบทำได้ยากและเสี่ยงต่อการทำงานขัดข้อง (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: คอนเน็กเตอร์ติดตั้งด้านข้างจากซีรีส์ MA01 แสดงให้เห็นว่าการออกแบบทำให้ง่ายต่อการตรวจสอบคุณภาพของข้อต่อบัดกรีที่คอนเน็กเตอร์ติดอยู่กับบอร์ดพีซีอย่างไร (แหล่งที่มาภาพ: JAE Electronics)

รับประกันการเชื่อมต่อที่ปราศจากปัญหา

เทคโนโลยีคอนเน็กเตอร์แบบลอยตัวของซีรี่ส์ MA01 มีประโยชน์เมื่อชดเชยข้อผิดพลาดของตำแหน่งการจัดวาง แต่การวางแนวที่ไม่ถูกต้องอาจเกิดขึ้นได้เมื่อเชื่อมต่อคอนเน็กเตอร์โดยผู้ปฏิบัติงาน การวางแนวที่ไม่ตรงดังกล่าวมักเกิดขึ้นเมื่อบอร์ดพีซีด้านบนและด้านล่างที่ยึดสองฝั่งของคอนเน็กเตอร์แบบมองไม่เห็น ซึ่งทำให้การวางแนวของหน้าสัมผัสที่ละเอียดอ่อนผิดเพี้ยนได้ง่ายเกินไป แย่กว่านั้นคือ อาจรู้สึกว่าคอนเน็กเตอร์เชื่อมต่อกันอย่างถูกต้องแม้ว่าหน้าสัมผัสจะเสียหายในระหว่างการเชื่อมต่อก็ตาม การเยื้องศูนย์ดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในแนว X และ Y ในแนวนอน

คอนเน็กเตอร์ JAE มีแกนบอกทิศทางที่ป้องกันการเชื่อมต่อที่ไม่เหมาะสม แม้ว่าตัวเชื่อมต่อจะไม่ตรงแนวอย่างมากในทิศทาง X และ Y อย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่างในระหว่างกระบวนการเชื่อมต่อ แกนบอกทิศทางถูกขึ้นรูปเข้ากับคอนเน็กเตอร์และบังคับทั้งสองฝั่งของคอนเน็กเตอร์ให้อยู่ในตำแหน่งการประสานที่ถูกต้อง (รูปภาพ 7, 8 และ 9)

รูปที่ 7: เมื่อวางไม่ตรงแนวในทิศทาง X แกนบอกทิศทางในซีรีส์ JAE Electronics MA01 จะบังคับครึ่งบนของคอนเน็กเตอร์ให้อยู่ในแนวตั้ง (แหล่งที่มาภาพ: JAE Electronics)

รูปที่ 8: ในทิศทาง Y แกนบอกทิศทางป้องกันการเยื้องศูนย์มากเกินไป ซึ่งอาจทำให้หน้าสัมผัสเสียหายได้ (แหล่งที่มาภาพ: JAE Electronics)

รูปที่ 9: เมื่อนำบอร์ดสองแผงมารวมกันเพื่อใส่คอนเน็กเตอร์แบบไม่ตรงกัน แกนบอกทิศทางจะชดเชยความคลาดเคลื่อนในแนวนอนได้ถึง 1 มม. (แหล่งที่มาภาพ: JAE Electronics)

เมื่อเชื่อมต่อแล้ว คุณสมบัติหน้าสัมผัสแบบลอยตัวของคอนเน็กเตอร์ช่วยให้สามารถดูดซับแรงกระแทกและแรงสั่นสะเทือนโดยทั่วไปของการใช้งานในยานยนต์ได้โดยไม่เสี่ยงให้หน้าสัมผัสเสียหาย

การเลือกคอนเน็กเตอร์ความเร็วสูง

การออกแบบระบบสื่อสารความเร็วสูงนั้นยุ่งยาก ก่อนที่ผู้ออกแบบจะเริ่มพิจารณาความสมบูรณ์ของสัญญาณของคอนเน็กเตอร์ที่กำหนด เค้าโครงของบอร์ดพีซีที่เกี่ยวข้องจะต้องคำนึงถึงปัจจัยต่าง ๆ เช่น อิมพีแดนซ์เป้าหมายและการกำหนดเส้นทางของช่องสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลความเร็วสูงเพื่อจำกัดครอสทอล์คและการสูญเสีย อย่างไรก็ตาม สมมติว่าผู้ออกแบบได้คำนึงถึงสิ่งเหล่านี้และปัจจัยการออกแบบที่สำคัญอื่นๆ แล้ว คอนเน็กเตอร์สามารถมีบทบาทสำคัญในแบนด์วิธสูงสุด ปริมาณข้อมูลดิบ และความสมบูรณ์ของสัญญาณของระบบ

สิ่งแรกที่ต้องตรวจสอบเมื่อเลือกคอนเน็กเตอร์ความเร็วสูงคือแบนด์วิธสูงสุดสำหรับโปรโตคอลการสื่อสารที่ต้องการ มีประเด็นเล็ก ๆ น้อย ๆ ในการออกแบบระบบที่อาจทำให้ไม่สามารถทำงานด้วยความเร็วสูงได้ หากคอนเน็กเตอร์ไม่สามารถจัดการกับความถี่ในการทำงานของโปรโตคอลได้ ซึ่งจะต้องเลือกคอนเน็กเตอร์ที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐานของโปรโตคอลที่เกี่ยวข้อง ด้วยวิธีนี้ ผู้ออกแบบจึงมั่นใจได้ว่าคอนเน็กเตอร์ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อให้มั่นใจถึงปริมาณงานและแบนด์วิธสูงสุด

นอกจากนี้ คอนเน็กเตอร์ที่เป็นไปตามข้อกำหนดยังมีคุณสมบัติอิมพีแดนซ์เป้าหมายสำหรับโปรโตคอลความเร็วสูงที่เกี่ยวข้อง (โดยทั่วไปคือ 50 โอห์ม (Ω)) ปัจจัยการเลือกอื่นๆ เช่น วัสดุที่ใช้ทำคอนเน็กเตอร์ รูปแบบการติดตั้งบนบอร์ด และขนาดนั้นก็มีความสำคัญ แต่มีผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณน้อยกว่า

แม้ว่าการรับรองการปฏิบัติตามข้อกำหนดจะให้ความมั่นใจแก่ผู้ออกแบบว่าคอนเน็กเตอร์สามารถทำงานได้ สิ่งสำคัญคือต้องทดสอบคอนเน็กเตอร์ที่ผ่านการพิจารณาในขั้นแรกบนบอร์ดพีซีทดสอบที่มีเลย์เอาต์ที่คล้ายคลึงหรือเหมือนกันกับรายการการผลิต เอกสารข้อมูลหรือการทดสอบคอนเน็กเตอร์แบบแยกส่วนอาจไม่แสดงปัญหาความสมบูรณ์ของสัญญาณที่อาจเกิดขึ้นในการใช้งานจริง การทดสอบการประกอบต้นแบบจะให้ข้อบ่งชี้ที่ชัดเจนเกี่ยวกับปัญหาการสะท้อนและ/หรือความผิดเพี้ยนของสัญญาณ

เกณฑ์การประเมินที่สำคัญสำหรับการพิจารณาความสมบูรณ์ของสัญญาณของคอนเน็กเตอร์คือพารามิเตอร์ S และอายไดอะแกรม พารามิเตอร์ S ระบุการส่งคืนสัญญาณและการสูญเสียการสอดแทรกในโดเมนความถี่ โดยควรวัดค่าเหล่านี้ในวงจรการทำงานในขณะที่มีคอนเน็กเตอร์อยู่ จากนั้นเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ที่ถอดคอนเน็กเตอร์ออกเพื่อประเมินผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ

อายไดอะแกรมที่สร้างโดยออสซิลโลสโคปคือการแสดงประสิทธิภาพของวงจรในโดเมนดิจิทัล ซึ่งเป็นวิธีมาตรฐานสำหรับการแสดงภาพการสูญเสีย ครอสทอล์ค การรบกวนระหว่างสัญลักษณ์ (ISI) และอัตราข้อผิดพลาดระดับบิต ขอเน้นย้ำว่าควรทำการทดสอบโดยมีและไม่มีคอนเน็กเตอร์เพื่อให้เห็นถึงผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ

สรุป

เป็นเรื่องท้าทายสำหรับนักออกแบบในการตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพทางกายภาพและทางไฟฟ้าของคอนเน็กเตอร์ระหว่างบอร์ด ในขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงความเสียหายของคอนเน็กเตอร์เนื่องจากการวางตำแหน่งที่ไม่เหมาะสมและความทนทานต่อการเยื้องศูนย์ระหว่างการประกอบอัตโนมัติความเร็วสูง นักออกแบบสามารถเอาชนะความท้าทายได้โดยใช้คอนเน็กเตอร์ซีรีส์ MA01 ของ JAE Electronics

ดังที่แสดงไว้ข้างต้น คอนเน็กเตอร์ MA01 เป็นไปตามโปรโตคอลการสื่อสารหลายกิกะบิต และนำเสนอโซลูชันที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้พร้อมการสอดแทรกและการถอดออกที่มีความต้านทานต่ำ นอกจากนี้ คอนเน็กเตอร์ยังได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงการประกอบที่รวดเร็ว คุณสมบัติต่างๆ เช่น ฝาครอบถอดได้ คอนเน็กเตอร์แบบลอยตัว และแกนบอกทิศทางช่วยให้มีความทนทานมากขึ้นในการติดตั้งบนบอร์ดและการเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดแบบมองไม่เห็น โดยไม่เสี่ยงต่อการวางแนวผิดตำแหน่งและเกิดความเสียหายต่อหน้าสัมผัส