Uso di connettori schermati per ottenere una connettività ad alta velocità affidabile in fattori di forma compatti e densi

La schermatura elettrica è un aspetto della progettazione e della produzione che fa parte dell'elenco delle preoccupazioni degli ingegneri fin dagli albori dell'elettronica, ma è sempre più preoccupante con l'aumento della velocità di trasmissione dei dati e con sistemi sempre più piccoli e strettamente integrati, con un numero maggiore di linee di segnale in stretta prossimità. Queste tendenze complicano notevolmente un concetto altrimenti semplice: impedire che segnali esterni indesiderati raggiungano e influenzino un conduttore che trasporta un segnale e impedire che l'energia di un segnale desiderato si irradi verso l'esterno e influisca su conduttori e circuiti vicini.

Per essere efficace, la schermatura deve circondare completamente i conduttori attivi, formando una barriera conduttiva a 360° lungo l'intero percorso, compresi i connettori di terminazione. Per ottenere questo risultato, molti progettisti pensano di dover utilizzare cavi e connettori coassiali, in quanto la schermatura interna del cavo può essere terminata mantenendo l'integrità della schermatura a 360°. Tuttavia, la densità di canale risultante dall'uso di cavi coassiali è bassa, pertanto questo approccio non è adatto a soddisfare i requisiti elettrici e fisici di alta velocità e alta densità di molte applicazioni di interconnessione scheda-scheda e scheda-backplane. La soluzione consiste nell'optare per interconnessioni ad alta velocità completamente schermate. Queste supportano un alto numero di percorsi di segnale in un unico alloggiamento del connettore completamente schermato.

Questo articolo illustra brevemente le basi della schermatura e le sfide che i progettisti si trovano ad affrontare nell'implementazione di schermature e interconnessioni ad alto numero di canali, laddove più cavi coassiali a canale singolo avrebbero dimensioni e ingombri aggregati eccessivi. L'articolo mostra perché la schermatura a 360° è particolarmente importante e utilizza diverse famiglie di connettori schermati di Samtec per illustrare le migliori pratiche di progettazione e implementazione finalizzate ad assicurare l'integrità del segnale ad alta velocità in spazi ristretti.

Partiamo dalle basi della schermatura

I cavi e le loro interconnessioni (connettori) sono una parte essenziale di quasi tutti i sistemi. Possono collegare una scheda madre a una scheda mezzanine, una scheda a un pannello utente, un'interfaccia specializzata o una disposizione di ingresso/uscita (I/O). Per mantenere l'integrità del segnale, l'interconnessione deve supportare la larghezza di banda del segnale o dei segnali e deve essere resistente alle interferenze elettromagnetiche e alle interferenze in radiofrequenza (EMI/RFI). Allo stesso tempo, non deve consentire l'irradiazione di EMI/RFI alle interconnessioni, alle schede o ai componenti adiacenti, in particolare quelli che trasportano segnali di basso livello o sensibili.

La schermatura attenua l'impatto delle interferenze elettromagnetiche e delle interferenze in radiofrequenza. A seconda di dove e come viene posizionata, può attenuare principalmente il rumore vicino alla sorgente (talvolta definito "aggressore" del rumore) o impedirgli di raggiungere i circuiti sensibili al rumore (la "vittima") (Figura 1).

Figura 1: La schermatura funge da barriera tra una sorgente "aggressore" e una "vittima" involontaria e innocente delle sue EMI e RFI. (Fonte: Journal of Computer Science and Engineering via Arvix)

Si noti che un determinato conduttore può essere sia un aggressore che emette un "cluster" di energia EMI/RFI, sia la vittima di energia proveniente da un'altra fonte. Inoltre, l'aggressore EMI/RFI non deve essere necessariamente una fonte esterna "terza" non collegata al prodotto; può essere altrettanto facilmente un'altra parte del sistema che agisce come aggressore involontario irradiando energia su un conduttore o un componente adiacente.

Esistono molte linee guida e le cosiddette "regole empiriche" su come e dove terminare la schermatura di messa a terra di questi cavi e interconnessioni per bloccare o almeno attenuare in modo significativo il trasferimento di energia di rumore tra aggressore e vittima. Purtroppo, non solo queste linee guida sono spesso in conflitto al loro interno, ma la risposta giusta o migliore sembra spesso dipendere dalle specificità della situazione. Ecco alcune delle linee guida suggerite:

• Terminare (mettere a terra) entrambe le estremità della schermatura.
• Terminare solo un'estremità, alla sorgente.
• Terminare solo un'estremità, al ricevitore.

All'apparenza non possono essere tutte giuste, o forse sì, in base alle specifiche del progetto e al livello di attenuazione necessario. Test di laboratorio approfonditi hanno dimostrato che, per una schermatura efficace nella gamma dei GHz, entrambe le estremità della schermatura devono essere terminate; in altre parole, la schermatura deve essere continua e ininterrotta.

Le regole sono un po' più flessibili per le frequenze audio e RF inferiori. Tuttavia, la terminazione della schermatura a una sola estremità può essere accettabile per applicazioni fino a circa 1 MHz, ma non è adatta per applicazioni dai 10 MHz in su.

È necessaria una schermatura completa

I risultati dettagliati dei test hanno anche mostrato come la terminazione a spirale per la schermatura, ampiamente utilizzata, sia spesso inefficace (Figura 2). Anche se lunga solo pochi millimetri, la sua bassa induttanza ne pregiudica le prestazioni a frequenze più elevate e potrebbe quindi deteriorare in larga misura le prestazioni della schermatura. Peggio ancora, l'innocuo terminale a spirale potrebbe in realtà essere controproducente, agendo da radiatore di energia elettromagnetica (un'antenna), irradiando più EMI/RFI anziché essere semplicemente inefficace nell'attenuarle.

Figura 2: La terminazione di schermatura a spirale apparentemente innocua su questo cavo HDMI non solo è inefficace, ma può emettere radiazione elettromagnetica con effetti controproducenti. (Fonte: Dana Bergey e Nathan Altland, via Interference Technology)

È invece necessaria una copertura fisica a 360° in corrispondenza della terminazione della schermatura, come richiesto dalla maggior parte degli standard MIL e ad alte prestazioni (Figura 3).

Figura 3: Per assicurare la massima efficacia di schermatura, è necessaria una terminazione completa a 360° (in alto), anziché un collegamento di messa a terra a spirale facile e veloce (in basso). (Immagine per gentile concessione di ResearchGate)

La necessità di una terminazione ad entrambe le estremità con una copertura ininterrotta a 360° è dovuta alla fisica: quando le frequenze operative aumentano fino all'ordine delle centinaia di MHz e dei GHz, le lunghezze d'onda corrispondenti si accorciano. Ciò significa che anche le più piccole interruzioni nella copertura schermante rappresentano una vera e propria finestra di opportunità per il passaggio dell'energia del segnale con un'attenuazione minima o nulla.

Oltre che da alte frequenze, i sistemi odierni sono caratterizzati anche da un'alta densità. Ciò significa che qualsiasi perdita di percorso di propagazione RF tra l'aggressore e la vittima è di gran lunga inferiore, poiché la perdita di percorso aumenta con il quadrato della distanza. Pertanto, anche una quantità apparentemente insignificante di segnale aggressore involontario può raggiungere e influenzare i circuiti della vittima con un'intensità relativamente elevata.

L'uso di una schermatura con integrità a 360°, spesso tipica dei singoli cavi e connettori coassiali, è certamente efficace per quanto riguarda la protezione EMI/RFI. Tuttavia, l'uso del cavo coassiale spesso interferisce con le esigenze di alta densità fisica di molti sistemi.

Inoltre, molti sistemi ad alte prestazioni richiedono la schermatura di più linee di segnale parallele, come si vede in due scenari fondamentali:

- Per le interconnessioni scheda-scheda, come ad esempio tra una scheda madre e una scheda mezzanine, con un'unica schermatura intorno alle linee multiple

- Cavi coassiali schermati multipli in un unico cavo assemblato, con un unico connettore di accoppiamento

Schermatura singola per progetti scheda-scheda

Il concetto di utilizzare un'unica schermatura per più linee di segnale è semplice in linea di principio. Le linee multiple sono avvolte da una schermatura ripiegata sulla ghiera, a contatto con il guscio del connettore (Figura 4).

Figura 4: Avvolgendo la schermatura intorno al gruppo di conduttori di segnale, le linee multiple vengono schermate come un gruppo. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Questo approccio risolve il problema della schermatura e richiede uno spazio aggiuntivo minimo sulla scheda rispetto a un'interconnessione non schermata. È importante che il connettore multilinea schermato fornisca le stesse prestazioni di base della linea di segnale di un connettore non schermato, assicurando al contempo accoppiamento e disaccoppiamento affidabili e coerenti senza compromettere la schermatura.

Un esempio di questa interconnessione schermata multilinea è una coppia di connettori schermati scheda-scheda a 20 posizioni, con la basetta ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR e lo zoccolo ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR di Samtec (Figura 5). Queste robuste strisce di connettori ad alta velocità sono progettate per applicazioni ad alto ciclo ad alta velocità con codifica non ritorno a zero (NRZ) a 28 Gbit/s e modulazione dell'ampiezza di impulso a quattro livelli (PAM4) a 56 Gbit/s.

Figura 5: La basetta ERM8 a 20 posizioni (a sinistra) e lo zoccolo ERF8 corrispondente (a destra) forniscono connettività scheda-scheda schermata. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

I connettori offrono un contatto strisciante fino a 1,5 mm e sono caratterizzati da robusta chiusura, bloccaggio, schermatura a 360° e sono robusti se "incernierati" (applicando una forza non normale fuori asse) durante il disaccoppiamento. Le prestazioni di alta velocità sono possibili grazie al sistema di contatto Edge Rate di Samtec, progettato per applicazioni ad alto ciclo ad alta velocità. È ottimizzato per assicurare l'integrità del segnale grazie alla riduzione dell'accoppiamento laterale e presenta una superficie di contatto levigata e fresata per ridurre l'usura (Figura 6).

Figura 6: Per ridurre l'accoppiamento laterale dei segnali, ERM8 e ERF8 utilizzano un sistema di contatti Edge Rate proprietario. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

I contatti ampi e fresati creano una superficie di accoppiamento levigata, a differenza dei contatti stampati che si accoppiano su un bordo tagliato. Questa superficie di accoppiamento liscia riduce le tracce di usura sul contatto, aumentando la durata e la quantità di cicli del sistema di contatto. Abbassa anche le forze di inserimento e disinserimento.

Sono necessari anche i cavi coassiali

I cavi coassiali hanno un ruolo essenziale e insostituibile nella trasmissione dei segnali, ma l'uso di interconnessioni che supportano solo un singolo cavo coassiale può essere frustrante quando sono necessari più segnali paralleli. Per far fronte a questa situazione, Samtec offre una famiglia di connettori per cavi coassiali schermati multilinea che supportano 20, 30, 40 e 50 posizioni. Tra questi c'è il dispositivo LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, un connettore a montaggio superficiale ermafrodito autoaccoppiante a 20 posizioni (Figura 7).

Figura 7: Il dispositivo LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR è un connettore a montaggio superficiale ermafrodito autoaccoppiante a 20 posizioni, con un massimo di 50 posizioni. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Il dispositivo LSHM è un connettore robusto e ad alta densità da utilizzare in applicazioni scheda-scheda e scheda-cavo, con schermatura opzionale per la protezione EMI. Con il sistema di contatti a passo piccolo Razor Beam, il design ermafrodito consente di risparmiare spazio sulla scheda a circuiti stampati (scheda CS) negli assi X, Y e Z. Questo connettore ha un passo di 0,50 mm e produce un clic udibile quando viene accoppiato, con forze di accoppiamento e disaccoppiamento da quattro a sei volte superiori rispetto ai tipici connettori a micropasso.

Questo connettore per montaggio su scheda è solo una parte dell'interconnessione: è infatti necessario anche un cavo assemblato (Figura 8). Anche questo cavo assemblato utilizza la tecnologia Razor Beam con un passo di 0,50 mm.

Figura 8: I cavi assemblati coassiali autoaccoppianti a passo piccolo Razor Beam forniscono una soluzione scheda-cavo multilinea completa. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Un cavo assemblato complementare per il citato connettore coassiale multilinea schermato per montaggio su scheda a 20 posizioni è HLCD-10-40.00-TD-TH-1, un cavo di un metro di lunghezza con connettori ermafroditi senza genere autoaccoppianti a ciascuna estremità (Figura 9). Utilizza cavi micro-coassiali da 38 AWG con un'impedenza di 50 Ω ed è classificato per 14 Gbit/s per contatto.

Figura 9: I cavi assemblati micro-coassiali multilinea da 50 Ω, come HLCD-10-40.00-TD-TH-1 a 20 posizioni, includono connettori ermafroditi senza genere autoaccoppianti a ciascuna estremità. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Assemblaggio di tutti i componenti

Per rendere questi connettori ad alta velocità più facili da specificare e utilizzare, Samtec ha esteso il concetto di layout delle schede CS dei produttori e i modelli SPICE dei connettori offrendo progetti di riferimento per uno dei problemi di progettazione più difficili relativi alle schede: la critica "regione di breakout" (BOR) intorno al connettore ad alta velocità. Gli ingegneri di Samtec che si occupano di integrità del segnale hanno sviluppato quella che chiamano "Final Inch Break Out Region", con raccomandazioni relative allo sbroglio delle piste sulle schede CS per molte delle serie di connettori ad alta velocità dell'azienda.

Queste raccomandazioni di progettazione si basano sull'uso di materiali standard per le schede, di strati multipli e di processi di produzione a basso costo e alto rendimento, e non richiedono trattamenti speciali. Queste raccomandazioni possono far risparmiare tempo e risorse nelle fasi di progettazione, sviluppo e validazione, nonché consentire il raggiungimento di un equilibrio tra le prestazioni da un lato e la producibilità e i costi dall'altro.

Conclusione

La schermatura elettrica completa di cavi, connettori e interconnessioni è fondamentale per l'integrità del segnale e le prestazioni per le configurazioni sia scheda-scheda che scheda-cavo. Il problema della schermatura è più impegnativo quando ci sono segnali paralleli multipli che devono essere schermati per prevenire le emissioni EMI/RFI o la suscettibilità a tali emissioni. Come illustrato, Samtec offre diverse famiglie di interconnessioni multilinea scheda-scheda e cavo coassiale-scheda per semplificare la progettazione e la produzione, mantenendo un alto livello di integrità e prestazioni meccaniche ed elettriche.