Leiterplattensteckverbinder Highspeed-Datenübertragung erfordert sauberen Störschutz

Autor / Redakteur: Martin Adamczyk * / Kristin Rinortner

Highspeed und EMV müssen bei Steckverbindern für eine sichere Datenübertragung gemeinsam betrachtet werden. Moderne Leiterplattensteckverbinder minimieren Störungen und das Kontaktdesign der Stecker ist perfekt aufeinander abgestimmt. So funktioniert es.

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Steckverbinder-Produktfamilie Zero8: Signale bis zu 20 GBit/s und Miniaturisierung erfordern exzellenten Störschutz.
Steckverbinder-Produktfamilie Zero8: Signale bis zu 20 GBit/s und Miniaturisierung erfordern exzellenten Störschutz.
(Bild: ept)

Die fortschreitende Digitalisierung erfordert in vielen Branchen eine Highspeed-Datenübertragung vom Sensor bis zur Cloud. Signale mit Datenraten bis 20 GBit/s und mehr müssen zuverlässig übertragen werden und eine hohe Störsicherheit aufweisen.

Die fortschreitende Miniaturisierung bei den elektrischen Geräten erschwert auch die verpflichtenden EMV-Prüfungen der europäischen Richtlinie, da sensible Bauteile wie Störsenken und Störquellen immer enger im Gerät platziert werden.

Eine saubere Datenübertragung wird umso schwieriger, je hochfrequenter das Signal ist. Der Steckverbinder spielt hier eine wichtige Rolle, da er in der Übertragungsstrecke eine wesentliche Störung darstellt.

Ziel bei der Entwicklung von neuen Highspeed-Steckverbindern ist es daher, diese Störungen innerhalb der Übertragungsstrecke zu minimieren. Der Beitrag beschreibt wesentliche Kriterien, die bei der Entwicklung beachtet werden sollten.

Die drei Kriterien bei der Datenübertragung

Die Qualität der Datenübertragung ist im Wesentlichen von drei Kriterien abhängig: von der Impedanz, dem Insertion Loss und dem Übersprechen.

Impedanz: Sobald sich die Impedanz im Übertragungsweg des Signals verändert, entstehen Reflexionen. Diese reduzieren die Effizienz der Datenübertragung. Schon eine Werkstoff- oder Geometrieänderung kann eine Schwankung der Impedanz verursachen. Ein Steckverbinder bildet aufgrund seiner Geometrie immer einen ungleichmäßigen Abschnitt der Signalleitung.

Insertion Loss (Einfügedämpfung): Die Einfügedämpfung gibt die Abschwächung des Signals durch den Steckverbinder als Verhältnis von durchgelassenem zu einfallendem Signal wieder. Sie hilft bei der Bewertung, ob ein Signal über den gesamten Übertragungsweg vom Empfänger eindeutig identifiziert werden kann.

Zieht man als Kriterium für die Datenrate einen typischen Wert der Einfügedämpfung von –3 dB heran, ergibt sich bei 8 GHz eine Übertragungsgeschwindigkeit von 16 GBit/s. Eine Einfügedämpfung von –3 dB entspricht einem Signalverlust von 30 Prozent bzw. einem Leistungsverlust von 50 Prozent.

Übersprechen: Als Übersprechen wird die unerwünschte Beeinflussung eines Signals durch ein Signal auf einer anderen Leitung bezeichnet. Es wird je nach Art der Beeinflussung in Nah- und Fernübersprechen unterschieden. Die Stärke des Übersprechens hängt maßgeblich von der Signal (S)- und Massebelegung (G) ab. Massekanäle zwischen Signalkanälen verringern deren Einfluss aufeinander.

Beim Nahübersprechen (NEXT) wird das Signal gemessen, das von einem auf das andere Paar eingekoppelt wird. Höhere Frequenzen üben eine größere Störung auf das beeinflusste Paar aus. Ein betragsmäßig hoher dB-Wert steht für eine hohe Dämpfung des Übersprechens. Es wird also nur ein geringer Einfluss im gestörten Paar gemessen. 10 Prozent des Signals sprechen bei einem Wert von –20 dB über, bei einem Wert von –40 dB nur noch 1 Prozent.

Beim Fernübersprechen (FEXT) wird der Einfluss eines benachbarten Paares am Ende der Übertragungsstrecke betrachtet. Der Einfluss ist geringer als beim NEXT, weil das Signal durch die Dämpfung entlang der Leitung geringer wird.

Störfestigkeit (EMV) als zentrale Herausforderung

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bedeutet die Fähigkeit eines technischen Gerätes, nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte gestört zu werden oder andere zu stören.

Die EMV ist wie das Übersprechen zu betrachten, jedoch nicht innerhalb der einzelnen Signalpfade im Steckverbinder, sondern als externe Störquelle.

Hochfrequente Signale sind sehr empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Bereits ein kleiner Impuls kann das Nutzsignal verfälschen. Elektromagnetische Störungen lassen sich bei Steckverbindern durch ein entsprechendes Schirmkonzept reduzieren.

Ein Steckverbinder kann eine Störsenke, aber auch eine Störquelle darstellen und andere Komponenten elektromagnetisch beeinflussen. Aus diesem Grund können Sie das Übersprechen als elektrischen Kennwert für Steckverbinder nur bedingt verwenden.

Koppelinduktivität: Störquellen und Störsenken simulieren

Als elektrische Kenngröße dient hier die Koppelinduktivität LK [H]. Mit dieser Kenngröße kann der Steckverbinder sowohl als Störquelle oder als Störsenke simuliert werden.

Bild 1: EMV-Simulation eines geschirmten Steckverbinders am Beispiel des Leiterplattensteckverbinders Zero8.
Bild 1: EMV-Simulation eines geschirmten Steckverbinders am Beispiel des Leiterplattensteckverbinders Zero8.
(Bild: ept)

Ein Beispiel aus der Praxis soll dies verdeutlichen: Bei der Simulation von Leiterplattensteckverbindern (Zero8) wurden sowohl bei der ungeschirmten als auch der geschirmten Ausführung die Boardlocks und die äußeren Signalkontakte auf Massepotential gelegt. Anhand der farblichen Verläufe und den Werten der Koppelinduktivität lässt sich die Wirkung des Schirmkonzeptes deutlich erkennen (Bild 1).

Bild 2: Platzersparnis auf der Leiterplatte durch den Einsatz von geschirmten Steckverbindern (links).
Bild 2: Platzersparnis auf der Leiterplatte durch den Einsatz von geschirmten Steckverbindern (links).
(Bild: ept)

Letztendlich können durch den Einsatz von geschirmten Steckverbindern Störquellen und Störsenken auf der Leiterplatte näher beieinander positioniert werden (Bild 2).

Mögliche Senken und Quellen auf der Leiterplatte sind dabei Integrierte Schaltkreise, Prozessoren, Antennen und Steckverbinder. Mögliche Quellen auf der Leiterplatte sind Frequenz-Umrichter, Netzteile und Transformatoren, Antriebe, Lüfter sowie Pumpen, Relais und Kondensatoren.

Zudem können durch den Einsatz von geschirmten Steckverbindern höhere Leistungsklassen bei der EMV-Prüfung des elektrischen Gerätes bei den vorgeschriebenen „Burst and Surge“-Prüfungen erreicht werden.

Kontaktdesign: Die Einflussfaktoren bei der Steckverbinder-Entwicklung

Die Anforderungen an die Datenübertragungsrate bei Highspeed-Steckverbindern und der Störschutz bilden also die beiden Eckpunkte bei der Steckverbinder-Entwicklung. Auf die Highspeed-Eigenschaften hat das Kontaktdesign den größten Einfluss.

Dabei ist es zwingend notwendig, Querschnittsveränderungen des Kontaktwerkstoffs zu vermeiden und Material mit hoher Leitfähigkeit zu verwenden. Auch die Dielektrizitätskonstante des Kunststoffs beeinflusst die Signalübertragung.

EMV-technisch gesehen sollte ein Werkstoff mit hoher Leitfähigkeit verwendet werden. Daneben ist die Anzahl der Kontaktpunkte für die Störfestigkeit eines Steckverbinders entscheidend.

Der induzierte Störstrom im Schirm des Steckverbinders, der sicher abgeleitet werden soll, erzeugt wiederum ein Magnetfeld, das die Signalkontakte beeinflussen kann. Je höher die Stromstärke, desto stärker ist das Magnetfeld.

Bild 3: Schirmkonzept des Steckverbinders Zero8.
Bild 3: Schirmkonzept des Steckverbinders Zero8.
(Bild: ept)

Durch eine Mehrfach-Kontaktierung des Schirmbleches wird der Stromfluss aufgeteilt und das Magnetfeld somit reduziert. Die Signalkontakte des Steckverbinders Zero8 weisen ein Raster von 0,8 mm auf. Die Schirmkontakte sind im Raster von 1,6 mm zueinander angeordnet (Bild 3).

Für eine sichere Datenübertragung in einem Steckverbindersystem müssen bei der Entwicklung die HF-Übertragung (S-Parameter) und EMV (Koppelinduktivität) betrachtet werden.

Leiterplattensteckverbinder für Industrieanwendungen

Mit Zero8 hat ept einen Leiterplattensteckverbinder für Industrieanwendungen entwickelt, dessen Bauformen, Stapelhöhe und Polzahlen sich individuell anpassen lassen.

Die Steckerpärchen (Plug und Socket) gibt es aktuell in den Bauformen mid-profile sowie low-profile. Durch die verschiedenen Bauhöhen können mit den Steckverbindern Leiterplattenabstände von 6,00 mm bis 21,00 mm realisiert werden – die Polzahlen können zwischen 12 bis 80 variabel angefordert werden.

Auch bei der Schirmung haben Hardware-Entwickler die Wahl. Beide Seiten des Steckerpaares mit oder ohne Schirmung? Oder nur eine Seite mit Schirmung? Alle Steckerverbinder sind untereinander steckkompatibel und frei kombinierbar.

Jedes Steckpärchen beinhaltet sowohl einen Messer- als auch einen Federkontakt. Diese doppelte Kontaktierung gewährleistet eine sichere und gasdichte Kontaktierung im industriellen Umfeld und ist resistent gegen äußere Einflüsse wie Schock, Vibration, Thermozyklen, Schadgas etc.

Als Kontaktwerkstoff wird die Legierung CuNiSi verwedet, die sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnet. Durch die Kontaktierung auf der homogenen Walzfläche mit hochwertigen Oberflächen werden mindestens 500 Steckzyklen garantiert und ein Abrieb der Oberfläche bei Mikrobewegungen reduziert.

Das hermaphroditische Anschlusskonzept ScaleX gewährleistet einen hohen Toleranzausgleich während der Installation (Winkelversatz von 2 bis 4°, Mittenversatz von 0,7 mm) und gleicht auch im gesteckten Zustand geräteseitige Toleranzen von 0,4 mm in x- und z- und 2,3 mm in y-Richtung aus.

Damit eignet sich die robuste, doppelseitige Anschlusstechnik für industrielle Anwendungen und gewährleistet eine sichere Kontaktierung bei mechanischer Belastung wie Schock und Vibration.

Durch die Schirmung werden die Signale im industriellen Umfeld vor äußeren Einflüssen geschützt und die materielle Beschaffenheit garantiert eine Datenübertragungsrate laut Hersteller bis zu 16 GBit/s.

Daneben wurde die Steckergeometrie so konzipiert, dass die Kontakte auch bei fehlerhafter Bedienung nicht zerstört werden können. Durch einen Versatz im gesteckten Zustand von 0,4 mm werden Fertigungstoleranzen ausgeglichen und eine hohe Überstecksicherheit gewährleistet.

HF und EMV: Die Quintessenz beim Mezzanine-Steckverbinder

Die SMT-Leiterplattensteckverbinder der Serie Zero8 verbinden Leiterplatten zuverlässig mit Datenübertragungsraten bis zu 16 GBit/s. Die unterschiedlichen Bauformen der Steckverbinderfamilie ermöglichen eine Verbindung von Leiterplatten in paralleler Anordnung mit Stapelhöhen zwischen 6 und 21 mm sowie in horizontaler oder rechtwinkliger Anordnung.

Damit lassen sich mit einer Steckverbinderfamilie alle Arten von Mezzanine-Leiterplatten miteinander kontaktieren. Durch die Schirmung der Steckverbinder werden die Signale im industriellen Umfeld vor äußeren Einflüssen geschützt.

Steckverbinder und Stecksockel gibt es seit Ende 2018 in den Bauformen mid-profile sowie low-profile. Seit letztem Jahr stehen alle Prüfparameter zur Verfügung. Mitte des Jahres will der Hersteller aus Peiting auch High-Profile-Bauformen und gewinkelte Version anbieten. Der Ausbau ist für das erste Quartal 2022 geplant.

* Martin Adamczyk ist Product Manager bei ept in Peiting.

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