Cómo garantizar que los conectores placa a placa cumplen los requisitos de ensamblaje y uso en automoción de alta velocidad

Los diseñadores de sistemas de automoción deben seleccionar y aplicar cuidadosamente los conectores para que funcionen de forma fiable tanto física como eléctricamente en entornos en los que están sometidos a temperaturas y humedades extremas, contaminación y vibraciones. Cumplir y mantener los requisitos de rendimiento y fiabilidad de la automoción es cada vez más difícil a medida que los vehículos se convierten en potentes "computadoras sobre ruedas". Los conectores deben ser capaces de manejar más líneas de transmisión en espacios más reducidos con velocidades de comunicación de varios gigabits por segundo, necesarias para adaptarse a estándares como 10GBASE-T1 y PCI Express versión 3 (PCIe 3.0).

Para complicar aún más las cosas, las empresas de automoción exigen volúmenes de producción muy elevados, por lo que las empresas de ensamblaje de componentes electrónicos tienen que recurrir a máquinas de ensamblaje de alta velocidad para mantener el ritmo. Sin embargo, es difícil mantener altos los índices de producción y los rendimientos y, al mismo tiempo, colocar los conectores con precisión para que luego se acoplen sin problemas.

Estos retos pueden superarse utilizando conectores de contacto flotante física y eléctricamente robustos que absorben los cambios de posición o los desajustes que se producen durante la automatización de la automatización del ensamblaje.

Este artículo describe la señal eléctrica y la aplicación física y las exigencias de fabricación a las que se enfrentan los conectores de automoción. A continuación, presenta los conectores flotantes de JAE Electronics que los diseñadores pueden utilizar para satisfacer estas demandas. Se incluyen datos específicos sobre los estándares de comunicaciones de alta velocidad y la selección y aplicación de conectores adecuados, junto con orientaciones sobre cómo seleccionar conectores para protocolos de comunicaciones de alta velocidad en automoción, como 10GBASE-T1 y PCI Express versión 3 (PCIe 3.0).

Protocolos de comunicaciones de alta velocidad

10GBASE-T1 pertenece a una familia de estándares Ethernet de 10 gigabits (10 GbE) que ofrece transmisión de tramas Ethernet a una velocidad de 10 gigabits por segundo (Gbps). 10GBASE-T1 es una solución "Automotive Ethernet" que funciona con cables de par trenzado a distancias de hasta 15 metros (m). La tasa de producción de datos de 10 Gbps es la más rápida de las normas de comunicación en automoción y puede utilizarse en aplicaciones como la conducción autónoma.

PCIe 3.0 es otro estándar de bus de expansión serie de alta velocidad para ordenadores. TI ofrece hasta 8 gigatransferencias por segundo (GTps). En una implementación de "carril x16" de gama alta, 8 GTps equivalen a una velocidad de transferencia de datos agregada de 126 Gbps.

Utilizada tradicionalmente como bus de alta velocidad en PC, esta tecnología se dirige ahora a aplicaciones de automoción para el vehículo del futuro, ya que el diseño del hardware garantiza que los paquetes de datos transmitidos lleguen al destino previsto. Así se consigue un sistema muy fiable y adecuado para la conducción autónoma.

Conectores para comunicaciones de alta velocidad en automoción

Los protocolos de comunicación de alta velocidad requieren conectores de alta calidad. No sólo deben proporcionar una conexión resistente y fiable para garantizar una excelente integridad de la señal, sino que también deben ser relativamente fáciles de desconectar y volver a conectar a lo largo de muchos años de servicio. También deben ser capaces de alojar muchos pines/clavijas en un paso pequeño para garantizar un tamaño compacto con conectividad de varios carriles.

Un ejemplo de familia de conectores modernos para protocolos de comunicación de alta velocidad como 10GBASE-T1 y PCIe 3.0 es la serie MA01 de JAE Electronics. Características como los contactos de superficie laminada y las estructuras de contacto de dos puntos garantizan conexiones mecánicas y eléctricas seguras incluso en condiciones de vibración, golpes y temperaturas extremas, típicas de las aplicaciones de automoción (figura 1).

Figura 1: Los conectores de la serie MA01 incorporan un conector de dos puntos de contacto que ayuda a mantener la continuidad eléctrica en caso de golpes y vibraciones. (Fuente de la imagen: JAE Electronics)

Ofrecidos en varias alturas de apilamiento de entre 8 y 30 milímetros (mm) (Figura 2) y capaces de transmitir las velocidades de 8 Gbps que exigen 10 GBASE-T1 y PCIe 3.0, los conectores de la Serie MA01 son ideales para aplicaciones como las unidades de control digital placa a placa de automoción. Los conectores se caracterizan por sus reducidas fuerzas de inserción y extracción, e incluyen una chaveta para evitar un acoplamiento incorrecto. Los conectores presentan un amplio rango de temperatura de funcionamiento de -40 a 125 °C.

Figura 2: Los conectores de la serie MA01 están disponibles en alturas de apilamiento de 8 a 30 mm. (Fuente de la imagen: JAE Electronics)

Un ejemplo de la gama es el MA01F030VABBR300. Este conector es un conector de placa a placa de transmisión de alta velocidad para automoción. Características TI: 30 posiciones en un paso de 0.635 mm dentro de un cuerpo de 20.925 x 8.8 x 12.3 mm. Los contactos son de aleación de cobre con una capa de chapado en oro de 0.1 micrómetros (µm) (min). La especificación eléctrica del conector es de 0,5 amperios (A) de corriente nominal y 50 voltios de CA de voltaje nominal. TI está diseñado para un máximo de 100 ciclos de acoplamiento.

El MA01F030VABBR300 está diseñado para acoplarse con el MA01R030VABBR600 y formar conexiones placa a placa para aplicaciones de automoción de alta velocidad (Figura 3).

Figura 3: El MA01F030VABBR300 (abajo) dispone de 30 posiciones y se acopla con el MA01R030VABBR600 para una conexión placa a placa de alta velocidad resistente y fiable. (Fuente de la imagen: JAE Electronics)

Superar los retos del ensamble

La fabricación de productos electrónicos de gran volumen exige el uso de tecnología de ensamblaje robotizada. Sin embargo, las máquinas de ubicación automática utilizadas para este trabajo tienen limitaciones mecánicas. Esto puede dar lugar a tolerancias en el posicionamiento de los componentes. Aunque los errores de posición leves son típicos y no suponen un problema para los componentes activos y pasivos, pueden causar problemas al acoplar conectores multiposición de paso fino. El problema se agrava porque un conector típico no presenta una superficie plana para que la boquilla de aspiración de la máquina de colocación gane correctamente.

Con pasos típicos pin/clavija de menos de un milímetro, no hace falta desalinear mucho los conectores para dañar los contactos.

Para superarlo, la JAE MA01F030VABBR300 cuenta con una tecnología de contacto flotante que permite un movimiento de ±0.5 milímetros en las direcciones X e Y. Este flotador corrige los desplazamientos posicionales o la desalineación causados durante el montaje por maquinaria automatizada. Los conectores vienen con una tapa extraíble que proporciona una compra segura para la colocación de boquillas de vacío de la máquina. La tapa también sirve para evitar que entren residuos de gran tamaño en la zona de acoplamiento antes del montaje del conector (figuras 4 y 5).

Figura 4: El MA01F030VABBR300 es la mitad inferior de esta conexión MA01 y cuenta con tecnología de contacto flotante, que permite un movimiento de ±0.5 mm en las direcciones X e Y. Esto ayuda a corregir los desplazamientos posicionales o la desalineación durante el ensamblaje. (Fuente de la imagen: JAE Electronics)

Figura 5: La serie MA01 se suministra con una tapa desmontable que permite que la boquilla de aspiración de la máquina de colocación gane bien. (Fuente de la imagen: JAE Electronics)

El lado hembra del conector placa a placa, el MA01R030VABBR600, es un conector rígido porque sólo un lado de la conexión tiene que flotar para adaptarse a las tolerancias de posición de colocación.

Otra característica de los conectores de la serie MA01 que facilita el proceso de ensamblaje es una visión clara de las juntas estañosoldadas donde el conector se une a la placa de PC. Los conectores convencionales suelen ocultar estas juntas estañosoldadas, lo que dificulta la inspección y entraña el riesgo de fallos en servicio (figura 6).

Figura 6: Un conector de montaje lateral de la Serie MA01 muestra cómo el diseño facilita la inspección de la calidad de las juntas estañosoldadas donde el conector está unido a la placa de PC. (Fuente de la imagen: JAE Electronics)

Garantizar un acoplamiento sin problemas

La tecnología de conectores flotantes de la serie MA01 es útil para compensar los errores de posición, pero puede producirse una mayor desalineación cuando los conectores se acoplan manualmente. Esta desalineación suele producirse cuando las placas de PC superior e inferior que sujetan las dos mitades del conector se juntan "a ciegas", por lo que es muy fácil desalinear los delicados contactos. Peor aún, el conector puede parecer que se ha acoplado correctamente aunque los contactos se hayan dañado durante el proceso. Esta desalineación puede producirse en las direcciones horizontales X e Y.

Los conectores JAE incluyen postes guía que evitan una conexión incorrecta, incluso si los conectores se desalinean significativamente en una o ambas direcciones X e Y durante el proceso de acoplamiento. El poste guía está moldeado en el cuerpo del conector y dirige las dos mitades del conector a la posición de enganche correcta (Figuras 7, 8 y 9).

Figura 7: Cuando se desalinea en la dirección X, el poste guía de la serie MA01 de JAE Electronics dirige la mitad superior del conector hacia una orientación vertical. (Fuente de la imagen: JAE Electronics)

Figura 8: En la dirección Y, los postes guía evitan una desalineación excesiva que, de otro modo, dañaría los contactos. (Fuente de la imagen: JAE Electronics)

Figura 9: Cuando se juntan dos placas para insertar conectores ciegos, los postes guía compensan hasta 1 mm de desalineación horizontal. (Fuente de la imagen: JAE Electronics)

Una vez acoplado, la función de contacto flotante del conector le permite absorber los golpes y vibraciones típicos de las aplicaciones de automoción sin riesgo de dañar los contactos.

Selección de conectores de alta velocidad

Diseñar sistemas de comunicaciones de alta velocidad es complicado. Incluso antes de que el diseñador empiece a considerar la integridad de la señal de un conector determinado, la disposición de la placa de PC asociada debe tener en cuenta factores como las impedancias de destino y el enrutamiento de los canales de señal diferencial de alta velocidad para limitar la diafonía y las pérdidas. Sin embargo, suponiendo que el diseñador haya tenido en cuenta estos y otros factores clave de diseño, el conector puede desempeñar un papel importante en el ancho de banda final, la tasa de producción de datos brutos y la integridad de la señal del sistema.

Lo primero que hay que comprobar al seleccionar un conector de alta velocidad es el ancho de banda máximo para el protocolo de comunicación deseado. De poco sirve diseñar un sistema que pueda funcionar a alta velocidad si el conector no es capaz de manejar la frecuencia operativa del protocolo. Una forma sencilla de hacerlo es elegir conectores que estén certificados conforme a la norma del protocolo correspondiente. De este modo, el diseñador puede estar seguro de que el conector se ha diseñado específicamente para garantizar la máxima tasa de producción y ancho de banda.

Un conector conforme también presentará la impedancia objetivo para el protocolo de alta velocidad correspondiente (normalmente 50 ohmios (Ω)). Otros factores de selección, como el material del que está hecho el conector, el estilo de montaje en placa y las dimensiones, son importantes, pero tienen menos impacto en la integridad de la señal.

Aunque la certificación de conformidad dará al diseñador la confianza de que el conector puede hacer el trabajo, es importante probar el conector preseleccionado en una placa de PC de prueba con un diseño similar o idéntico al del artículo de producción. La hoja de datos o probar el conector de forma aislada podría no mostrar los problemas de integridad de la señal que pueden ocurrir en el uso en el mundo real. Las pruebas en un ensamble prototipo darán una clara indicación de los problemas de reflexión y/o distorsión de la señal.

Las mediciones clave para determinar la integridad de la señal del conector son los parámetros S y el diagrama de ojo. Los parámetros S indican las pérdidas de retorno e inserción de la señal en el dominio de la frecuencia. Deben medirse para el circuito de trabajo con el conector colocado y, a continuación, compararse con los resultados con el conector retirado para evaluar su impacto en la integridad de la señal.

Un diagrama de ojo generado por osciloscopio es una visualización del rendimiento del circuito en el dominio digital. TI es el método estándar para visualizar las pérdidas, la diafonía, la interferencia entre símbolos (ISI) y las tasas de error de bit. Una vez más, las pruebas deben realizarse con y sin el conector para establecer su impacto en la integridad de la señal.

Conclusión:

Para los diseñadores es todo un reto cumplir los exigentes requisitos de rendimiento físico y eléctrico de los conectores de placa a placa para automoción y, al mismo tiempo, evitar que los conectores se dañen debido a una mala colocación y tolerancia de desalineación durante el ensamblaje automatizado de alta velocidad. Los diseñadores pueden superar los retos utilizando los conectores de la serie MA01 de JAE Electronics.

Como se muestra, los conectores MA01 son compatibles con protocolos de comunicación multigigabit y ofrecen una solución resistente y fiable con inserción y desconexión de baja resistencia. Además, los conectores también se han diseñado pensando en un montaje rápido. Características como las tapas de extracción, los conectores flotantes y los postes guía permiten mayores tolerancias en el montaje de placas y la conexión ciega placa a placa sin riesgo de desalineación y daños en los contactos.