5 principes de conception pour appliquer des interconnexions robustes aux applications gourmandes en données

Le besoin actuel de vitesses de données rapides dans la cartographie de géolocalisation, le streaming vidéo de véhicules aériens sans pilote (UAV), la détection par imagerie lumineuse et télémétrie (LiDAR) et d'autres applications militaires et aérospatiales à forte intensité de données est pratiquement illimité. Les soldats veulent immédiatement savoir :la piste est-elle dégagée ? Est-ce la bonne direction ? Y a-t-il un obstacle sur la trajectoire de vol ?

Pour apporter des réponses en temps réel, les systèmes embarqués et les appareils électroniques doivent utiliser des technologies d'interconnexion plus robustes que les solutions commerciales tout en prenant en charge les protocoles haut débit (10-Gigabit Ethernet, USB 3.0, InfiniBand) ainsi que les bus rapides (VPX, PCI Express-PCIe). Pour aider les développeurs à relever ces défis, ce bref aperçu décrit cinq principes de conception pour l'application d'interconnexions robustes pouvant prendre en charge des vitesses élevées et maintenir une intégrité élevée du signal.

1. Suivez le chemin complet du signal

Au début d'un projet, il est utile de voir les interconnexions de manière holistique dans le cadre du système plutôt qu'une réflexion de dernière minute. CHAQUE CONNEXION COMPTE. C'est parce que chaque niveau d'emballage électronique impose des exigences uniques sur la capacité de l'interconnexion à maintenir l'intégrité du signal. Chaque interconnexion est appelée à maintenir des débits de données et des performances à chacun des six niveaux différents d'emballage électronique :

• Niveau 1 : Connexions entre un élément de circuit de base et ses fils.

• Niveau 2 : Connexions entre les fils de composants et une carte de circuit imprimé (PCB), telles que les prises de circuit intégré (IC).

• Niveau 3 : Connexions entre deux cartes de circuits imprimés, généralement des connexions carte à carte, qui incluent des connecteurs de bord de carte en une pièce et des connecteurs en deux parties et des connecteurs d'empilage.

• Niveau 4 : Connexions entre deux sous-ensembles, impliquant généralement des fils et des câbles, ou des embases lorsqu'un appareil nécessite plus d'un sous-ensemble dans son boîtier.

• Niveau 5 : Connexions d'un sous-ensemble aux ports d'entrée/sortie (E/S) du système, impliquant généralement des connexions à des sous-ensembles à l'aide de câbles ou d'une connexion directe (comme un connecteur de cloison à montage sur carte).

• Niveau 6 : Connexions entre des systèmes physiquement séparés, utilisant souvent un câblage en cuivre ou en fibre optique pour connecter les ports d'E/S de systèmes séparés à d'autres appareils, périphériques et commutateurs réseau. Peut également impliquer une connexion sans fil à l'aide d'antennes.

2. Visez une voie électriquement optimisée

Chaque fois qu'un signal entre et sort d'un circuit ou d'un composant, il perd de sa force. La dégradation du signal qui en résulte — connue sous le nom de « perte d'insertion », telle que mesurée en décibels (dB) — est un effet secondaire inhérent aux propriétés électromécaniques de chaque interconnexion. La perte d'insertion totale est le produit de plusieurs facteurs, notamment les écarts d'impédance, la perte de conducteur (énergie perdue en raison du conducteur dans la ligne de signal) et la perte diélectrique (énergie perdue en raison du matériau diélectrique lui-même).

Bien que la perte d'insertion ne puisse pas être éliminée, le concepteur peut sélectionner des interconnexions en utilisant des matériaux et des conceptions qui minimisent l'impact sur l'intégrité du signal. Dans les applications à haute vitesse, par exemple, les concepteurs visent généralement des connecteurs avec une perte d'insertion nominale de –1 dB ou moins pour assurer une puissance de signal adéquate. Le concepteur doit déterminer les niveaux de canal acceptables pour une application donnée au vu d'autres facteurs dans la ligne de transmission qui affectent l'intégrité du signal.

3. Assurez-vous que l'impédance et les longueurs de chemin correspondent

Lorsqu'une interconnexion présente une résistance ou une réactance au courant électrique différente du reste du circuit, cela provoque une discontinuité ou une inadéquation d'impédance. Une inadéquation d'impédance peut créer des réflexions de signal qui ont un impact sur l'intégrité du signal lorsqu'il parcourt la ligne de transmission. Une forme de réflexion du signal est la "perte de retour", qui est l'énergie réfléchie vers la source en raison de la non-concordance d'impédance.

Un concepteur ne peut généralement pas modifier l'impédance dans un connecteur ou un câble à moins que le composant lui-même ne soit personnalisé. Par conséquent, l'objectif de conception est généralement de faire correspondre l'impédance de l'interconnexion avec l'impédance de l'environnement de référence. Par exemple, un connecteur 75-Ω sera plus électriquement invisible dans un système 75-Ω qu'un connecteur 50-Ω.

La sélection de contacts, de câbles et d'autres éléments avec des géométries physiques ou des matériaux diélectriques qui minimisent les discontinuités d'impédance est la première étape pour maintenir l'intégrité du signal. La deuxième étape consiste à s'assurer que toutes les zones de transition de composant à composant sont gérées avec cohérence. Ces zones comprennent les joints de soudure, les sertissages et les régions de transition fil-connecteur. Des valeurs d'affaiblissement de réflexion inférieures à –10 dB dans la bande de fréquences ciblée sont un objectif typique, bien que des valeurs maximales et minimales acceptables puissent être déterminées pour un chemin de transmission donné.

La longueur du chemin est également importante lorsque deux ou plusieurs chemins de signaux parallèles sont utilisés dans l'interconnexion, comme dans la signalisation par paire différentielle. Dans ce cas, les longueurs de chemin électrique doivent être adaptées avec précision. Sinon, le temps nécessaire à chaque signal pour se propager à travers l'interconnexion sera différent. Le délai de propagation résultant, connu sous le nom de « skew » dans la paire différentielle, aura un impact négatif sur la synchronisation du système et augmentera la perte d'insertion, la désadaptation d'impédance et la diaphonie.