Utilice conectores blindados para lograr una conectividad de alta velocidad fiable en factores de forma compactos y densos.

La apantallamiento eléctrico es una cuestión de diseño y fabricación que ha estado en la lista de preocupaciones de los ingenieros desde los primeros días de la electrónica, pero es cada vez más preocupante a medida que aumentan las velocidades de datos y los sistemas se hacen más pequeños y más estrechamente integrados, con más líneas de señal en menor proximidad. Estas tendencias complican enormemente lo que de otro modo sería un concepto sencillo: evitar que las señales externas no deseadas lleguen a un conductor que transporta una señal y le afecten, y evitar que la energía de una señal deseada se irradie hacia el exterior y afecte a los conductores y circuitos cercanos.

Para ser eficaz, el apantallamiento debe rodear totalmente los conductores activos, formando una barrera conductora de 360° a lo largo de todo el trayecto, incluidos los conectores de terminación. Para conseguirlo, muchos diseñadores asumen que deben utilizar cables coaxiales y conectores, ya que el apantallamiento interno del cable puede terminarse conservando la integridad del apantallamiento de 360°. Sin embargo, la densidad de canales resultante cuando se utilizan cables coaxiales es baja, por lo que este enfoque no es adecuado para satisfacer los requisitos eléctricos y físicos de alta velocidad y alta densidad de muchas aplicaciones de interconexión placa a placa y panel a placa posterior. La solución es optar por interconexiones de alta velocidad totalmente blindadas. Admiten un elevado número de rutas de señal en un único receptáculo de conectores totalmente blindado.

En este artículo se exponen brevemente los fundamentos del apantallamiento y los retos a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de implementar interconexiones y apantallamientos de gran número de canales en los que varios cables coaxiales de un solo canal tendrían un tamaño y un volumen agregados excesivos. Muestra por qué el apantallamiento integral de 360° es especialmente crítico y utiliza varias familias de conectores apantallados de Samtec para ilustrar las mejores prácticas de diseño e implementación para la integridad de la señal de alta velocidad en espacios reducidos.

Empezar con lo básico del apantallamiento

Los cables y sus interconexiones (conectores) son una parte esencial de casi todos los sistemas. Pueden conectar una placa madre a una placa mezzanine, una placa a un panel de usuario, una interfaz especializada o una disposición de entrada/salida (E/S). Para mantener la integridad de la señal, la interconexión debe soportar el ancho de banda de la señal o señales y también ser resistente a las interferencias electromagnéticas/interferencias de radiofrecuencia (EMI/RFI). Al mismo tiempo, tampoco debe permitir la radiación de EMI/RFI a interconexiones, placas o componentes adyacentes, especialmente los que transportan señales sensibles o de bajo nivel.

El apantallamiento atenúa el impacto de las interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia. Dependiendo de dónde y cómo se coloque, puede atenuar principalmente el ruido cerca de su fuente (lo que a veces se denomina el "agresor" del ruido), o impedir que llegue a los circuitos sensibles al ruido (la "víctima") (Figura 1).

Figura 1: El apantallamiento funciona como una barrera entre una fuente agresora y una víctima inocente e involuntaria de su EMI (interferencia electromagnética). (Fuente de la imagen: Journal of Computer Science and Engineering vía Arvix)

Tenga en cuenta que un conductor dado puede ser a la vez un agresor que emite un "grupo" de energía EMI/RFI y también la víctima de la energía procedente de otra fuente. Además, el agresor de EMI/RFI no tiene por qué ser una fuente externa "ajena" al producto; puede ser fácilmente otra parte del sistema que actúe como agresor involuntario irradiando energía sobre un conductor o componente adyacente.

Existen muchas directrices y las llamadas "reglas empíricas" sobre cómo y dónde terminar la pantalla de tierra de estos cables e interconexiones para bloquear o atenuar significativamente la transferencia de energía acústica entre el agresor y la víctima. Desgraciadamente, no solo estas directrices suelen entrar en conflicto, sino que la respuesta correcta o mejor parece depender a menudo de las particularidades del acuerdo. Entre las directrices sugeridas se encuentran:

• Terminar (conectar a tierra) ambos extremos de la pantalla.
• Terminan solo un extremo, en la fuente.
• Terminan solo en un extremo, en el receptor.

Intuitivamente, parece que no todas pueden ser correctas, o quizá sí, dependiendo de las particularidades del diseño y de cuánta atenuación se necesite. Pruebas exhaustivas de laboratorio han demostrado que para un apantallamiento eficaz en la gama de los gigahercios (GHz), ambos extremos del apantallamiento deben estar terminados; en otras palabras, el apantallamiento debe ser continuo e ininterrumpido.

Las normas son algo más flexibles en las frecuencias de Audio y RF más bajas. Sin embargo, la terminación de la pantalla en un solo extremo puede ser aceptable para aplicaciones de hasta aproximadamente 1 megahercio (MHz), pero no es adecuada para decenas de MHz y más.

Es necesario un blindaje total

Los resultados detallados de las pruebas también mostraron que la terminación corta "flexible de conexión" para la pantalla, ampliamente utilizada, resultaba a menudo ineficaz (figura 2). Aunque solo tenga unos milímetros (mm) de longitud, su baja inductancia perjudica su rendimiento a frecuencias más altas, por lo que podría anular gran parte de las prestaciones del apantallamiento. Peor aún, el inocuo terminal flexible de conexión podría ser contraproducente al actuar como un radiador de energía electromagnética (una antena), irradiando más EMI/RFI en lugar de ser simplemente ineficaz para atenuarla.

Figura 2: La terminación de apantallamiento de este cable HDMI, de aspecto inofensivo, no solo es ineficaz, sino que puede ser un radiador electromagnético contraproducente. (Imagen: Dana Bergey y Nathan Altland, vía Interference Technology)

En cambio, lo que se necesita es una cobertura física de 360° en la terminación de apantallamiento, que es lo que se exige en la mayoría de las normas MIL y de alto rendimiento (Figura 3).

Figura 3: Para conseguir la máxima eficacia del apantallamiento, es necesaria una terminación completa de 360° (arriba), en lugar de una conexión de tierra flexible de conexión rápida y sencilla (abajo). (Fuente de la imagen: ResearchGate)

La necesidad de terminación en ambos extremos con una cobertura de 360° sin tapones se debe a la física: a medida que las frecuencias de funcionamiento aumentan hasta los cientos de MHz y GHz, las longitudes de onda correspondientes se acortan. Esto significa que incluso los huecos más pequeños en la cobertura del escudo representan una ventana literal de oportunidad para que la energía de la señal pase a través de ellos con poca o ninguna atenuación.

Además de frecuencias más altas, los sistemas actuales están densamente empaquetados. Esto significa que cualquier pérdida de trayecto por propagación de RF entre el agresor y la víctima es mucho menor, ya que la pérdida de trayecto aumenta con el cuadrado de la distancia. Así, incluso una cantidad aparentemente insignificante de señal agresora no intencionada puede alcanzar y afectar a los circuitos de la víctima con una intensidad relativamente alta.

El uso de un blindaje con 360° de integridad, a menudo tipificado por cables coaxiales y conectores individuales, es ciertamente eficaz con respecto a la protección EMI/RFI. Sin embargo, el uso de cable coaxial suele interferir con las necesidades de alta densidad física de muchos sistemas.

Además, muchos sistemas de alto rendimiento necesitan blindaje a través de múltiples líneas de señal paralelas, como se observa en dos escenarios básicos:

• Para interconexiones de placa a placa, como entre una placa madre y una placa mezzanine, con un único blindaje alrededor de las múltiples líneas.

• Múltiples cables coaxiales apantallados en un único conjunto de cables, con un único conector de acoplamiento.

Escudo único para diseños placa a placa

El concepto de utilizar un único apantallamiento para varias líneas de señal es, en principio, sencillo. Las líneas múltiples están envueltas por un blindaje plegado sobre el casquillo, que hace contacto con la carcasa del conector (figura 4).

Figura 4: Envolviendo el apantallamiento alrededor del grupo de conductores de señal, las líneas múltiples quedan apantalladas como un grupo. (Fuente de la imagen: Samtec)

Este enfoque resuelve el problema del apantallamiento y requiere un mínimo espacio adicional en la placa en comparación con una interconexión sin apantallamiento. Es importante que el conector multilínea apantallado ofrezca las mismas prestaciones básicas de línea de señal que un conector sin apantallar, al tiempo que garantice un acoplamiento y desacoplamiento fiable y uniforme sin poner en peligro el apantallamiento.

Un ejemplo de esta interconexión apantallada multilínea es un par de conectores apantallados placa a placa de 20 posiciones, la cabecera ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR de Samtec y la toma ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR (Figura 5). Estas resistentes regletas de conectores de alta velocidad están diseñadas para aplicaciones de alta velocidad (codificación sin retorno a cero (NRZ) a 28 gigabits por segundo (Gbits/s) y modulación de amplitud de impulsos de cuatro niveles (PAM4) a 56 Gbits/s) y ciclos elevados.

Figura 5: La cabecera ERM8 de 20 posiciones (izquierda) y la toma ERF8 correspondiente (derecha) proporcionan conectividad blindada placa a placa. (Fuente de la imagen: Samtec)

Los conectores proporcionan un barrido de contacto de hasta 1.5 mm y cuentan con un robusto enclavamiento, bloqueo, blindaje de 360° y son resistentes cuando se "cierran" (se tira de ellos con una fuerza fuera del eje, no normal) durante el desacoplamiento. El rendimiento a alta velocidad es posible gracias al sistema de contacto Edge Rate de Samtec, diseñado para aplicaciones de alta velocidad y ciclos elevados. Se ha optimizado para garantizar la integridad de la señal mediante la reducción del acoplamiento lateral ancho y cuenta con una superficie de contacto lisa y fresada para reducir el desgaste (figura 6).

Figura 6: Para reducir el acoplamiento de señales laterales, el ERM8 y el ERF8 utilizan un sistema de contacto Edge Rate patentado. (Fuente de la imagen: Samtec)

Los contactos de fresado ancho crean una superficie de acoplamiento lisa, a diferencia de un contacto estampado que se acopla en un borde cortado. Esta superficie de acoplamiento lisa reduce las pistas de desgaste en el contacto, lo que aumenta la durabilidad y la vida útil del sistema de contacto. También reduce las fuerzas de inserción y extracción.

También se necesitan Cables coaxiales

Los cables coaxiales desempeñan un papel esencial e insustituible en la transmisión de señales, pero utilizar interconexiones que sólo admiten un único cable coaxial puede resultar frustrante cuando se necesitan varias señales paralelas. Para hacer frente a esta situación, Samtec ofrece una familia de conectores de cable coaxial apantallado multilínea que admiten 20, 30, 40 y 50 posiciones. Entre ellos se encuentra el LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, un conector hermafrodita de montaje en superficie con 20 posiciones y autoacoplamiento (Figura 7).

Figura 7: El LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR es un conector hermafrodita de montaje en superficie, autoacoplable, con 20 posiciones y hasta 50 posiciones. (Fuente de la imagen: Samtec)

El LSHM es un conector robusto de alta densidad para su uso en aplicaciones placa a placa y placa a cable, con blindaje opcional para protección EMI (interferencia electromagnética). Gracias a su sistema de contacto de paso fino Razor Beam, el diseño hermafrodita ahorra espacio en los ejes X, Y y Z de la placa de circuito impreso (PC). Este conector tiene un paso de 0.50 mm y emite un clic audible al acoplarse, con fuerzas de acoplamiento y desacoplamiento aproximadamente entre cuatro y seis veces superiores a las de los típicos conectores de paso micro.

Este conector de montaje en placa es sólo la mitad de la historia de la interconexión, ya que se necesita un ensamble de cables (Figura 8). Este ensamble también utiliza la tecnología Razor Beam con un paso de 0.50 mm.

Figura 8: Los arneses de cables coaxiales de paso fino y autoacoplamiento Razor Beam proporcionan una solución completa multilínea de placa a cable. (Fuente de la imagen: Samtec)

Un conjunto de cables complementario para el citado conector coaxial multilínea apantallado de 20 posiciones, montado en placa, es el HLCD-10-40.00-TD-TH-1, un cable de un metro de longitud con conectores hermafroditas de autoacoplamiento sin género en cada extremo (Figura 9). TI utiliza un microcoaxial de 38 AWG con una impedancia de 50 ohmios (Ω) y una velocidad nominal de 14 Gbits/s por contacto.

Figura 9: Los arneses de cables microcoaxiales multilínea de 50 Ω, como el HLCD-10-40.00-TD-TH-1 de 20 posiciones, incluyen conectores hermafroditas de autoacoplamiento sin género en cada extremo. (Fuente de la imagen: Samtec)

Ensamblar las piezas

Para que estos conectores de alta velocidad sean más fáciles de especificar y utilizar, Samtec ha ampliado el concepto de diseños de placas de PC de fabricantes y modelos SPICE de conectores ofreciendo diseños de referencia para uno de los problemas de diseño más difíciles de la placa: la crítica "región de ruptura" (BOR) alrededor del conector de alta velocidad. Los ingenieros de integridad de señales de Samtec han desarrollado lo que denominan una región de ruptura de pulgada final con recomendaciones relacionadas con el trazado de la placa de PC para muchas de sus series de conectores de alta velocidad.

Estas recomendaciones de diseño se basan en el uso con materiales de placa estándar, múltiples capas y procesos de fabricación de bajo coste y alto rendimiento, y no requieren ningún tratamiento especial. Estas recomendaciones pueden ahorrar tiempo y recursos de diseño, desarrollo y validación, y equilibrar el rendimiento con la fabricabilidad y el coste.

Conclusión:

El apantallamiento eléctrico completo de cables, conectores e interconexiones es fundamental para la integridad y el rendimiento de la señal, tanto en configuraciones placa a placa como placa a cable. El problema del apantallamiento es más complicado cuando hay múltiples señales paralelas que deben apantallarse para evitar emisiones EMI/RFI o la susceptibilidad a estas emisiones. Como se muestra, Samtec ofrece varias familias de interconexiones multilínea placa a placa y cable coaxial a placa para simplificar el diseño y la fabricación, manteniendo al mismo tiempo un alto nivel de integridad y rendimiento mecánico y eléctrico.