Industrielle Verbindungstechnik

Die Signalintegrität optimieren

30. Juni 2022, 5:05 Uhr | Von Arndt Schafmeister und Sebastian Stamm, Entwicklungsingenieure bei Phoenix Contact 
Signalintegrität optimieren
So gleich das Bestreben ist, alle Komponenten mit einer hohen Signalintegrität auszustatten, so unterschiedlich sind die Anforderungen: Was für die Konstruktion eines Single-Pair-Ethernet-Steckverbinders vorteilhaft ist, kann im Bereich der Board-to-Board-Steckverbinder ein K.-o.-Kriterium sein.
© Phoenix Contact

Mit der immer stärkeren Vernetzung moderner Geräte erhöht sich auch die Anzahl der Schnittstellen. Das Ziel lautet: eine möglichst wenig beeinträchtigte Datenübertragung. Sie hängt im hohen Maße vom Zusammenspiel aller Kabel und Steckverbinder-Bestandteile ab.

Eine Eigenschaft von Steckverbindern, die in direktem Zusammenhang mit der Signalintegrität steht, ist die Impedanz. Die Soll-Impedanz eines Steckers ist abhängig von der Übertragungstechnologie der Steckverbinder-Applikation. Abweichungen von der Soll-Impedanz reflektieren das Datensignal zurück zum Sender. Werden die Reflexionen zu hoch, überlagern sich die reflektierten und gesendeten Signale. Konsequenz ist eine beeinträchtigte Datenübertragung.

Faktoren wie Materialauswahl, Geometrie und Anordnung der signalführenden Bauteile beeinflussen die Impedanz des Steckverbinders. Ein weiterer Faktor ist die Frequenz, also die Pegelübergangszeit der eingesetzten Übertragungstechnologie. Sie ist applikationsabhängig – und der Hersteller der Steckverbindung kann sie nicht beeinflussen. Der Trend geht zu immer größeren Datenmengen und damit höheren Übertragungsfrequenzen bei kürzeren Pegelübergangszeiten. Mit diesen Herausforderungen beschäftigt sich Phoenix Contact intensiv.

Hinsichtlich der Steckverbinder-Impedanz lassen sich allgemeingültige Aussagen über die beste Geometrie, Materialien oder Bauteilanordnungen kaum treffen, weil grundsätzlich auch die Nenn-Impedanzen der Übertragungstechnologien sowie die Pegelübergangszeiten zu berücksichtigen sind!

  • Was also für die Konstruktion eines Single-Pair-Ethernet-Steckverbinders vorteilhaft ist, kann im Bereich der Board-to-Board-Steckverbinder ein K.-o.-Kriterium sein.

Unterschiedliche Optimierungsansätze 

So gleich das Bestreben also ist, alle Komponenten mit einer hohen Signalintegrität auszustatten, so unterschiedlich sind die Anforderungen:

Datensteckverbinder der Geräteschnittstellen wie die kompakten SPE-Steckverbinder nach IEC 63171-2,  robuste IP67-SPE-Stecker nach IEC 63171-5 oder RJ45-Steckverbinder sind in der Regel standardisiert – das Steckgesicht sowie die Kontaktbelegungen unterliegen herstellerübergreifenden Standards. Darüber hinaus definieren diese Standards konkrete Anforderungen an die Signalintegrität in Form von frequenzabhängigen Grenzwerten für die Übertragungseigenschaften der Stecker, etwa die Rückflussdämpfung oder das Nebensprechen. Durch eine geschickte Auswahl von Kontakt- und Isolationsmaterialien sowie durch eine ausgeklügelte Konstruktion der nicht durch die Standards vorgegebenen Kontakt-Geometrien im Inneren der Steckverbinder erreicht Phoenix Contact bei diesen Komponenten eine hohe Signalintegrität.

Die geräteinternen Verbindungen sind in der Regel nicht standardisiert. Diese Steckverbinder sind für Kunden mit unterschiedlichen Übertragungstechniken interessant. 

  • Betrachtet man beispielsweise eine Ethernet-Applikation, so könnte etwa ein Board-to-Board-Steckverbinder in einem Gerät mit einer SPE-Schnittstelle eingesetzt werden. In diesem Fall wäre eine Impedanz von 100 Ohm für den Board-to-Board-Steckverbinder ideal. Der gleiche Board-to-Board-Steckverbinder könnte in einer anderen Applikation aber auch auf ein USB-Protokoll treffen, bei dem eine Impedanz von 90 Ohm vorteilhaft wäre. Tatsächlich kann für beide Applikationen der gleiche Board-to-Board-Steckverbinder eingesetzt werden. Da es keine allgemeingültigen Beschaltungspläne für diese nicht standardisierte Schnittstelle gibt, kann die Signalintegrität durch die Auswahl einer geeigneten Kontaktbelegung innerhalb des Steckverbinders gezielt optimiert werden. 

Insbesondere bei Board-to-Board-Steckverbindern helfen Simulationen, eine hohe Signalintegrität für spezielle Anwendungen zu gewährleisten. Sie zeigen den Kunden häufig unerwartete Potenziale für die Anwendung auf.

Optimierungsroutinen

Dabei ist das Optimum immer das Ergebnis mehrerer Iterationen sowie der zugehörigen Optimierungsroutinen – sowohl bei der Entwicklung von standardisierten und nicht standardisierten Steckverbindern als auch bei der anwendungsspezifischen Konfiguration.

Bei den Simulationen werden hierzu häufig Parameter verwendet, die in vielen Anwendungen üblich sind. Bei der Simulation von Board-to-Board-Steckverbindern wird in der Regel eine Impedanz-Umgebung von 100 Ohm bei differenziellen Signalen und von 50 Ohm bei Single-Ended-Signalen angesetzt. Eine hohe Signalintegrität ist gegeben, wenn das Impedanz-Verhalten der Komponenten möglichst wenig von dieser Soll-Impedanz abweicht. Für solche üblichen Parametereinstellungen und gängige Kontaktbelegungen sind Simulationen vorbereitet – die Ergebnisse kann Phoenix Contact innerhalb kurzer Zeit zur Verfügung stellen. Weiterhin stehen exemplarisch für ausgewählte Typen Simulationsergebnisse auf der Website zur Verfügung.

Im Rahmen des Design-in Supports führen Experten von Phoenix Contact Simulationen auf Basis individueller Parameter durch, um Produktmanager und Ingenieure bei der Auswahl optimaler Steckverbinder-Kombinationen und geeigneter Kontaktbelegungen bestmöglich zu beraten. Dabei lassen sich die passenden Impedanzen und Pegelübergangszeiten ebenso berücksichtigen wie Störeinflüsse in Form von Nebensprechen durch weitere Signale in derselben Steckverbindung oder Störungen durch weitere Komponenten auf dem PCB. Bei Störeinflüssen durch andere Komponenten eignet sich die Betrachtung bzw. Simulation der elektrischen und magnetischen Felder. Geschirmte Steckverbinder helfen, solche Störeinflüsse zu reduzieren oder ganz zu eliminieren. 

 

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Experten im Bereich der Signalintegrität: Arndt Schafmeister (links) und Sebastian Stamm
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Und so sieht der individueller Support bei Phoenix Contact aus: 

Auf Basis der von den Kunden übermittelten Werte startet Phoenix Contact eine kundenspezifische Simulation und leitet daraus Vorschläge zu geeigneten Artikelkombinationen und Kontaktbelegungen ab. Das Team informiert über Ergebnisse, beantwortet Fragen und stellt im Anschluss eine entsprechende Dokumentation zur Verfügung. Diese individuellen Simulationen lassen sich in der Regel innerhalb weniger Tage realisieren. Dafür brauchen die Ingenieure Angaben zur jeweiligen Anwendung, zum Beispiel über die Anordnung der Leiterplatten im Gerät, die Art der Datenübertragung oder die Soll-Impedanz des Systems. Insbesondere bei den Leiterplattenanordnungen bieten die Board-to-Board-Steckverbinder von Phoenix Contact eine hohe Flexibilität. So sind mezzanine, koplanare und Backplane-Anordnungen mit unterschiedlichen Platinenabständen sowie Verbindungen mit vorkonfektionierten Flachbandkabeln möglich. 

Besonders wichtig ist der direkte Austausch zwischen den Experten auf beiden Seiten. In diesem Rahmen haben sich bei vergangenen Projekten immer wieder unerwartete Optimierungspotenziale bei der Signalintegrität ergeben, etwa durch eine alternative Kontaktbelegung oder den Einsatz von geschirmten Steckverbindern. 


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