Zastosowanie ekranowanych złączy pozwala uzyskać niezawodność szybkiej łączności w kompaktowych obudowach

Ekranowanie elektryczne jest zagadnieniem projektowym i produkcyjnym, które spędza sen z powiek inżynierów od najwcześniejszych dni elektroniki, ale staje się coraz ważniejsze wraz ze wzrostem szybkości przesyłu danych, przy coraz mniejszych układach, które są coraz ściślej zintegrowane i zawierają coraz większą liczbą linii sygnałowych położonych blisko siebie. Te trendy znacznie komplikują skądinąd prostą koncepcję zapobiegania docieraniu zewnętrznych, niepożądanych sygnałów, aby nie wpływały na żyłę przenoszącą sygnał oraz zapobiegania promieniowaniu energii pożądanego sygnału na zewnątrz oraz wpływania na pobliskie żyły i obwody.

Aby ekranowanie było skuteczne, musi całkowicie otaczać aktywne żyły, tworząc barierę przewodzącą w zakresie 360° wzdłuż całej ścieżki, jak również na złączach końcowych. Aby to osiągnąć, wielu projektantów zakłada, że muszą używać koncentrycznych kabli i złączy, ponieważ wewnętrzny ekran kabla może być zakończony przy zachowaniu integralności ekranu w zakresie 360°. Jednak wynikowa gęstość powierzchniowa kanałów wykorzystujących kable koncentryczne jest niska, a zatem podejście to nie jest odpowiednie do spełnienia wymagań elektrycznych i fizycznych dotyczących szybkości oraz wysokiej gęstości w zastosowaniach związanych z połączeniami typu płytka-płytka i płytka-płyta montażowa. Rozwiązaniem jest wybór szybkich, w pełni ekranowanych połączeń. Obsługują one dużą liczbę ścieżek sygnałowych w pojedynczej, całkowicie ekranowanej obudowie złącza.

W tym artykule pokrótce omówiono podstawy ekranowania i wyzwania stojące przed projektantami podczas wdrażania połączeń o dużej liczbie kanałów i ich ekranowania, w przypadku których wiele jednokanałowych kabli koncentrycznych miałoby zbyt duże rozmiary i objętość. Wykazuje on, dlaczego pełne ekranowanie 360° jest szczególnie ważne i wykorzystuje kilka grup złączy ekranowanych firmy Samtec, aby zilustrować najlepsze praktyki projektowe i wdrożeniowe w zakresie integralności sygnału o dużej szybkości przesyłowej w ograniczonych przestrzeniach.

Zacznijmy od podstaw ekranowania

Kable i ich połączenia (złącza) są istotną częścią prawie wszystkich systemów. Mogą one łączyć płytę główną z płytą typu antresolowego, płytkę z panelem użytkownika, wyspecjalizowanym interfejsem lub układem wejścia-wyjścia (I/O). Aby zachować integralność sygnału, połączenie musi obsługiwać szerokość pasma sygnału (sygnałów), a także być odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Jednocześnie nie może dopuszczać do wypromieniowywania zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI) na sąsiednie połączenia, płytki lub komponenty, zwłaszcza przenoszące sygnały o niskim poziomie lub sygnały wrażliwe.

Ekranowanie redukuje wpływ zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych. W zależności od tego, gdzie i w jaki sposób jest umieszczone, może ono przede wszystkim tłumić zakłócenia w pobliżu ich źródła (czasami nazywanego „agresorem” zakłóceń) lub blokować je przed dotarciem do obwodów wrażliwych na zakłócenia (czyli „ofiary”) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Ekranowanie działa jako bariera pomiędzy źródłem-agresorem a postronną ofiarą jego zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI). (Źródło ilustracji: Journal of Computer Science and Engineering za pośrednictwem Arvix)

Należy pamiętać, że dana żyła może być zarówno agresorem emitującym jeden „klaster” energii zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI), jak i ofiarą energii z innego źródła. Co więcej, agresorem-źródłem zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI) nie musi być jakieś „obce”, zewnętrzne źródło, niezwiązane z produktem. Równie dobrze może to być inna część systemu, działająca jako nieumyślny agresor poprzez wypromieniowanie energii na sąsiednią żyłę lub komponent.

Istnieje wiele wytycznych i tak zwanych „praktycznych zasad” dotyczących tego, w jaki sposób i gdzie zakończyć ekran uziemiający wspomnianych kabli i połączeń, aby zablokować lub znacznie stłumić przenoszenie energii zakłóceń między agresorem a ofiarą. Niestety te wytyczne nie tylko są często sprzeczne, ale właściwa lub najlepsza odpowiedź często wydaje się zależeć od specyfiki układu. Sugerowane wytyczne to między innymi:

• Zakańczanie (uziemianie) obu końców ekranowania.
• Zakańczanie tylko jednego końca u źródła.
• Zakańczanie tylko jednego końca przy odbiorniku.

Intuicyjnie wydaje się, że nie wszystkie mogą być słuszne. Jednak może tak być, w zależności od specyfiki projektu i tego, jak silne tłumienie jest potrzebne. Kompleksowe testy laboratoryjne wykazały, że dla skutecznego ekranowania w zakresie gigaherców (GHz), oba końce ekranu muszą być zakończone; innymi słowy, ekranowanie musi być ciągłe i nieprzerwane.

Zasady są nieco bardziej elastyczne w przypadku częstotliwości audio i niższych częstotliwości radiowych (RF). Zakończenie ekranowania tylko na jednym końcu może być do przyjęcia w zastosowaniach do około 1MHz, jednak nie jest odpowiednie dla częstotliwości od kilkudziesięciu MHz wzwyż.

Potrzebne jest pełne ekranowanie

Szczegółowe wyniki badań wykazały również, że powszechnie stosowane krótkie zakończenia ekranowania typu „pigtail” były często nieskuteczne (ilustracja 2). Nawet jeśli jego długość wynosi zaledwie kilka milimetrów (mm), niska indukcyjność negatywnie wpływa na jego parametry działania przy wyższych częstotliwościach, a tym samym może zanegować znaczną część skuteczności ekranowania. Co gorsza, pozornie nieszkodliwe zakończenie typu pigtail może w rzeczywistości przynieść efekt przeciwny do zamierzonego, działając jako promiennik energii elektromagnetycznej (antena), emitując więcej zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI), nie tylko będąc nieskutecznym w ich tłumieniu.

Ilustracja 2: Nieszkodliwie wyglądające zakończenie ekranowania typu pigtail na kablu HDMI jest nie tylko nieskuteczne, ale może być szkodliwym promiennikiem elektromagnetycznym. (Źródło ilustracji: Dana Bergey i Nathan Altland, za pośrednictwem Interference Technology)

Zamiast tego potrzebne jest fizyczne osłonięcie 360° na zakończeniu ekranowania, co jest wymagane w większości standardów wysokich parametrów działania i standardów wojskowych (MIL) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Aby uzyskać maksymalną skuteczność ekranowania, konieczne jest pełne zakończenie 360° (u góry), a nie szybkie i łatwe połączenie uziomowe typu pigtail (u dołu). (Źródło ilustracji: Researchgate)

Potrzeba zakończenia na obu końcach przy pełnym pokryciu 360° wynika z fizyki: wraz ze wzrostem częstotliwości roboczych w zakresie setek MHz i GHz, odpowiednie fale stają się krótsze. Oznacza to, że nawet niewielkie luki w pokryciu ekranowania stanowią dosłowną „okazję” dla energii sygnału, która może z niej skorzystać i przeniknąć z niewielkim tłumieniem lub bez tłumienia.

Oprócz pracy na wyższych częstotliwościach, współczesne systemy są gęsto upakowane. Oznacza to, że wszelkie straty na drodze propagacji częstotliwości radiowych (RF) między agresorem a ofiarą są znacznie mniejsze, ponieważ straty na drodze rosną wraz z kwadratem odległości. W ten sposób nawet pozornie nieznaczna ilość niezamierzonego sygnału agresora może dotrzeć do obwodów ofiary i oddziaływać na nie ze stosunkowo wysoką mocą.

Zastosowanie ekranu o integralności 360°, często typowej dla całych kabli koncentrycznych i złączy, jest z pewnością skuteczne w odniesieniu do ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Jednak użycie kabla koncentrycznego często koliduje z potrzebami wielu systemów w zakresie wysokiej gęstości fizycznej.

Co więcej, wiele wysokowydajnych systemów wymaga ekranowania wielu równoległych linii sygnałowych, co można zaobserwować w dwóch podstawowych scenariuszach:

• W przypadku połączeń typu płytka-płytka, np. między płytą główną a płytką antresolową, z pojedynczym ekranowaniem wokół wielu linii

• Wiele ekranowanych kabli koncentrycznych w jednym zespole kablowym, z jednym współpracującym złączem