Highspeed Teaser
Livre blanc

Une vitesse élevée sans risques

Le Big Data et autres technologies similaires exigent des débits de données de plus en plus élevés. Parallèlement, les composants électroniques doivent non seulement devenir de plus en plus rapides et intelligents, mais aussi de plus en plus petits. Il en résulte des risques particuliers en matière de transmission de données et, par conséquent, de nouveaux défis pour la technologie de connexion. À quoi devez-vous prêter attention lors du choix de votre connecteur pour éviter les interférences de signal ?
BILD 8a ohne EMV Schirm
Fig. 1 : Composants électroniques agissant à la fois comme puits de parasites et comme sources de parasites dans un espace restreint.
La numérisation croissante dans tous les secteurs, tels que l’Internet des objets industriel, l’Industrie 4.0, les réseaux intelligents (Smart Grid) et la maison connectée (Smart Home), nécessite une transmission de données à haut débit, du capteur jusqu’au cloud. Mais cela ne vaut pas seulement pour les capteurs : les systèmes de commande industrielle, les systèmes de caméras industrielles, les communications de données (Datacom) et les applications serveur sont également concernés. Les signaux doivent être transmis de manière fiable à des débits de 20 Gbit/s et plus. Outre la haute vitesse, l’IIoT, le Big Data et autres technologies entraînent une autre tendance : les composants électroniques doivent non seulement être de plus en plus rapides et intelligents, mais aussi de plus en plus petits. Cette miniaturisation croissante complique la tâche des développeurs pour satisfaire aux tests de compatibilité électromagnétique (CEM) obligatoires prévus par la directive européenne. En effet, les composants électroniques d’un module peuvent agir à la fois comme puits de perturbations et comme sources de perturbations, et le placement à proximité de composants sensibles augmente le risque d’interférences mutuelles.

Définition du « réseau de bord » : architecture décentralisée, par domaines et par zones

HPC Bordnetze
Représentation schématique des différentes architectures de l’réseau de bord
L’architecture décentralisée classique dans le secteur automobile comprend jusqu’à 100 calculateurs, chacun d’entre eux se voyant attribuer une fonction bien définie : gestion du moteur, airbag, ABS / ESP, réglage des sièges, climatisation, … Chaque calculateur fonctionne de manière autonome et communique avec les autres via des passerelles.  
Au cours des dernières décennies, l’architecture décentralisée a connu une croissance historique, chaque nouvelle fonctionnalité s’accompagnant de l’ajout d’un nouveau calculateur. Aujourd’hui, cependant, elle atteint ses limites : la multiplication des fonctionnalités augmente considérablement les coûts d’installation et de câblage à l’intérieur du véhicule.
Dans l’architecture par domaines, les calculateur sont regroupés en différents domaines fonctionnels. Chaque domaine est responsable d’un secteur spécifique du véhicule, tel que la propulsion, l’infodivertissement ou la sécurité. La commande de niveau supérieur d’un domaine est assurée par un ordinateur haute performance (HPC) autonome. Celui-ci coordonne les calculateurs au sein de son domaine. Pour le domaine fonctionnel de la sécurité, il s’agirait par exemple des calculateurs destinés aux systèmes d’aide à la conduite, à l’ABS/ESP et aux systèmes de direction.
Par rapport à l’architecture décentralisée, le nombre réduit de calculateurs embarqués permet de diminuer les coûts de câblage et d’installation. L’architecture par domaines peut ainsi contribuer efficacement à la réduction des coûts et du poids par rapport à l’architecture décentralisée. De plus, des fonctions supplémentaires peuvent être intégrées ultérieurement avec un minimum d’efforts.
Dans l’architecture zonale, la structuration ne s’effectue pas en fonction des domaines, mais selon des zones locales. Ainsi, plusieurs fonctionnalités sont regroupées au sein d’une même zone dans un véhicule. Par conséquent, des fonctions telles que la propulsion et l’infodivertissement peuvent tout à fait être regroupées et traitées dans un contrôleur de zone (contrôleur de zone). La commande globale des différents contrôleurs de zone est assurée par un HPC central. L’avantage est évident : une réduction pouvant atteindre 50 % du nombre de calculateurs et de leur câblage.

Exigences relatives au HPC et à ses connecteur

Augendiagramm Colibri
L’diagramme de l'œil permet d’évaluer la qualité du signal lors d’une transmission de données numériques
Les exigences qui en découlent pour un HPC sont considérables : le traitement des données d’imagerie dans le domaine de l’infodivertissement ou des systèmes de caméras pour la conduite autonome, notamment, nécessite une transmission de données haut débit sécurisée avec des temps de latence courts. Parallèlement, la transmission du signal ne doit en aucun cas être interrompue – sa fiabilité doit être garantie à tout moment.  

Des performances élevées, une transmission de données rapide et surtout fiable – parfois dans des conditions environnementales défavorables – sont donc également des exigences qui s’appliquent aux connecteur intégrés.

La « lisibilité » d’un signal peut être illustrée à l’aide de ce que l’on appelle un diagramme de l'œil. Celui-ci indique si un signal transmis peut être attribué sans ambiguïté aux états numériques 1 ou 0 au niveau du récepteur.

Pour cela, un signal parcourt un trajet de transmission défini, au cours duquel il est enregistré, superposé et représenté par un oscilloscope. Ainsi, toutes les courbes de signal possibles peuvent être représentées « les unes sur les autres ». En théorie, les transitions entre les états logiques sont infiniment raides et les lignes de signal se superposent exactement. En raison de facteurs de perturbation externes et d’altérations internes des paires de signaux, la pente du signal s’aplatit et l’amplitude varie. Il en résulte la forme d’un œil, qui a donné son nom à ce diagramme.
Colibri
La conception optimisée des contacts du Colibri® permet un transfert de données à haut débit avec un faible taux de perte.
Au centre du diagramme, on distingue ce qu’on appelle l’« Eye Mask ». Une identification univoque du signal n’est pas possible dans cette zone.

Les deux diagrammes de l'œil illustrent les influences de la longueur de ligne et de l’impédance à l’exemple des connecteurs ept Colibri dans les versions 16+ Gbit/s et 10 Gbit/s. Cet exemple montre comment le perfectionnement de la conception des contacts a permis d’obtenir une amélioration significative de lintégrité du signal (voir fig. XX). Grâce à une longueur de ligne plus courte et à une impédance de 100 Ω, l’œil de la variante 16+ Gbit/s du Colibri se dessine plus nettement que sur la variante précédente du Colibri à 10 Gbit/s – les paires de signaux sont interprétables sans ambiguïté.
Burst geschirmt und ungeschirmt Screen
Perturbations du signal sur un connecteur blindé (à gauche) et non blindé (à droite) (connecteur)
Les signaux à haute vitesse étant particulièrement sensibles aux perturbations électromagnétiques, ils nécessitent une protection spécifique. Un connecteur (connecteur) peut alors agir à la fois comme source de perturbation et comme puits de perturbation. C’est pourquoi il est recommandé d’assurer la protection du signal à l’aide d’une tôle de blindage (plaque de blindage) afin de protéger les signaux sensibles contre les influences extérieures.
La figure 4 montre qu’une simple petite impulsion électrique suffit à fausser le signal utile. Le récepteur n’est déjà plus en mesure d’interpréter sans ambiguïté les états numériques du signal HDMI après une brève impulsion de 0,5 kV, alors que la transmission du signal via le connecteur blindé reste stable même à 4,4 kV.


Abbildung3
connecteur en version non blindée (à gauche) et blindée (à droite)
Grâce à l’inductance mutuelle LK en tant que paramètre CEM, le connecteur peut être décrit en tenant compte des conditions électriques dans ses deux fonctions : source et puits. L’unité Henry est utilisée à cet effet. Cela s’applique aussi bien à l’immunité qu’aux émission électromagnétique. Si la tension induite (Uind), la tension du générateur (UGen) ainsi que la constante du générateur (kGen) sont connues, l’inductance mutuelle maximale admissible (L) spécifique à une application peut être déterminée à l’aide de la formule suivante :

LK = Uind / (UGen * kGen)

L’inductance mutuelle aide également l’utilisateur à définir le connecteur adapté en termes de compatibilité électromagnétique et à éviter les essais par tâtonnement en connecteur-Labor, coûteux et chronophages. Voici un exemple : pour un signal HDMI, une inductance mutuelle maximale spécifique au cas, de 47 picohenry (pH), a été déterminée pour une tension de 4,4 kV. Si la valeur est supérieure à celle-ci, le signal ne peut donc plus être transmis sans interférences.
Mais les interférences électromagnétiques ne sont pas les seules à menacer la transmission des signaux à haut débit. Dans le secteur automobile en particulier, les connecteurs sont également exposés de manière répétée à des conditions environnementales extrêmes telles que les vibrations et les chocs. Pour que la transmission des signaux se déroule sans interruption, même dans un environnement hostile, le connecteur doit être particulièrement robuste. À cet égard, la conception des contacts, le système de contact et la technique de raccordement jouent un rôle décisif.

Facteur d'influence : système de contact

Doppelseitiger Federkontakt
contact femelle à double face sans (à gauche) et avec (à droite) impact de choc ; diamètre du trou de perçage
Les connecteurs classiques en deux parties (connecteur) disposent d’un contact à lame et d’un contact femelle à ressort. En cas de chocs violents, la connecteur mâle à lame peut toutefois se détacher de la connecteur femelle à ressort. Pour éviter une telle microcoupure, il est possible d’assurer la redondance et donc la fiabilité du contact à l’aide d’une connecteur femelle à ressort double face, car grâce au deuxième ressort, la transmission du signal est garantie à tout moment par au moins un point de contact (fig. 5).
Schnitt Doppelkontakt
Une coupe transversale du Zero8-connecteur montre le système de contacts hermaphrodite
Les connecteurs (connecteur) dotés d’un système de contacts hermaphrodite sont en revanche encore plus robustes. Leur particularité réside dans les géométries de contact identiques des paires de connecteurs, à savoir la fiche (Plug) et la prise (Socket). Les deux disposent ainsi à la fois d’un ressort et d’une lame. Chaque broche est ainsi mise en contact par deux ressorts ; la fiche et la prise sont entrelacées et ne peuvent donc pas se séparer l’une de l’autre. Alors qu’une barrette à ressorts (connecteur femelle) double face garantit toujours au moins un point de contact en cas de contrainte mécanique, les géométries entrelacées des systèmes de contact unisexes assurent que la transmission du signal s’effectue toujours via deux points de contact. Cette redondance élevée permet ainsi une sécurité de contact maximale (fig. 5).
Meniskusbildung
Formation régulière d’un ménisque autour de la «patte CMS »
La technologie de montage en surface (CMS, CMS) est recommandée comme technique de raccordement pour une connexion durable entre le circuit imprimé et le connecteur. À l’aide de pâte à souder (crème à braser), les connecteurs sont soudés sur des plages d’accueil définies du circuit imprimé, appelées pastilles de soudure. Ce n’est qu’à l’intérieur d’un four dit de refusion (four de refusion) que la soudure est amenée à fondre puis à durcir. La technologie CMS permet de réaliser des connexions stables entre le connecteur et le circuit imprimé. Pour cela, certains critères doivent toutefois être respectés : tout d’abord, pour obtenir un joint brasé conforme à la norme IPC-A-610, il faut respecter le rapport correct entre le patte CMS, le pastille et la crème à braser. C’est la seule façon d’établir une connexion de haute qualité permettant un raccordement de classe 3 selon l’IPC, et donc adaptée à une utilisation dans l’électronique haute performance. Dans cette classe, toute défaillance dans la transmission du signal doit être exclue à tout moment. Une connexion brasée optimale se reconnaît à la formation régulière du ménisque. Le contact doit être entièrement entouré par le ménisque de soudure afin d’obtenir les meilleures forces de rétention sur le circuit imprimé. (Fig. 9).
La coplanarité des pieds de contact est indispensable pour garantir une connexion d'excellente qualité ; celle-ci fait l'objet d'un contrôle 100 % automatisé tout au long du processus.

Conclusion

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Les évolutions actuelles du secteur automobile imposent sans cesse de nouvelles exigences aux connecteur installés. À première vue, le rôle des connecteurs semble passer au second plan en raison de la réduction du nombre de calculateurs. Toutefois, en y regardant de plus près, on constate que c’est précisément cette transition vers un traitement centralisé des données via le HPC qui renforce leur importance : la fiabilité de la transmission des signaux n’a jamais été aussi cruciale qu’aujourd’hui.

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