Utiliser des connecteurs blindés pour atteindre une connectivité haute vitesse fiable dans des facteurs de forme denses et compacts

Le blindage électrique est un aspect de la conception et de la fabrication qui figure sur la liste des préoccupations des ingénieurs depuis les premiers jours de l'électronique, mais il devient de plus en plus problématique à mesure que les débits de données augmentent et que les systèmes deviennent plus petits et plus étroitement intégrés avec davantage de lignes de signaux à proximité. Ces tendances compliquent considérablement un concept par ailleurs simple : empêcher les signaux externes indésirables d'atteindre et d'affecter un conducteur transportant un signal, et empêcher l'énergie d'un signal souhaité de rayonner vers l'extérieur et d'affecter les conducteurs et les circuits à proximité.

Pour être efficace, le blindage doit entourer totalement les conducteurs actifs, formant une barrière conductrice à 360° sur la totalité du trajet, y compris les connecteurs de terminaison. Pour ce faire, de nombreux concepteurs pensent qu'ils doivent utiliser des câbles et des connecteurs coaxiaux, car le blindage interne du câble peut être terminé tout en conservant l'intégrité du blindage à 360°. Cependant, la densité surfacique des canaux résultant de l'utilisation de câbles coaxiaux est faible, et cette approche n'est donc pas adaptée pour répondre aux exigences électriques et physiques haute vitesse et haute densité de nombreuses applications d'interconnexion carte-à-carte et carte-à-fond de panier. La solution consiste à opter pour des interconnexions haute vitesse entièrement blindées. Celles-ci prennent en charge un nombre élevé de chemins de signaux dans un seul boîtier de connecteur entièrement blindé.

Cet article aborde brièvement les principes de base du blindage et les défis auxquels les concepteurs sont confrontés lors de l'implémentation de blindages et d'interconnexions à nombre élevé de canaux, là où plusieurs câbles coaxiaux à un seul canal peuvent présenter une taille et un encombrement excessifs. Il montre pourquoi un blindage total à 360° est particulièrement critique et utilise plusieurs gammes de connecteurs blindés de Samtec pour illustrer les meilleures pratiques de conception et de mise en œuvre pour l'intégrité des signaux haute vitesse dans les espaces confinés.

Principes de base du blindage

Les câbles et leurs interconnexions (connecteurs) constituent un élément essentiel de la plupart des systèmes. Ils peuvent connecter une carte mère à une carte mezzanine, une carte à un panneau utilisateur, une interface spécialisée ou une configuration entrée/sortie (E/S). Pour maintenir l'intégrité des signaux, l'interconnexion doit prendre en charge la bande passante du ou des signaux et également être résistante aux interférences électromagnétiques/perturbations radioélectriques (EMI/RFI). Dans le même temps, elle ne doit pas permettre le rayonnement d'EMI/RFI vers les interconnexions, cartes ou composants adjacents, en particulier ceux transférant des signaux de faible niveau ou sensibles.

Le blindage atténue l'impact des interférences électromagnétiques et des perturbations radioélectriques. Selon l'endroit et la manière dont il est placé, il peut principalement atténuer le bruit à proximité de sa source (parfois appelé « agresseur »), ou l'empêcher d'atteindre les circuits sensibles au bruit (« victime ») (Figure 1).

Figure 1 : Le blindage fonctionne comme une barrière contre les EMI et RFI entre un « agresseur » et une « victime » innocente. (Source de l'image : Journal of Computer Science and Engineering via Arvix)

Notez qu'un conducteur donné peut être à la fois un agresseur émettant un « cluster » d'énergie EMI/RFI et également la victime d'une énergie provenant d'une autre source. De plus, l'agresseur EMI/RFI ne doit pas nécessairement être une source « tierce » externe sans rapport avec le produit. Il peut tout aussi bien s'agir d'une autre partie du système agissant comme un agresseur involontaire en rayonnant de l'énergie sur un conducteur ou un composant adjacent.

Il existe de nombreuses directives et soi-disant « règles empiriques » sur la manière et l'endroit où terminer le blindage de terre de ces câbles et interconnexions pour bloquer ou atténuer considérablement le transfert d'énergie sonore entre l'agresseur et la victime. Malheureusement, non seulement ces directives sont souvent contradictoires, mais la bonne ou la meilleure réponse semble souvent dépendre des spécificités de la configuration. Les directives suggérées incluent les suivantes :

• Terminaison (terre) des deux extrémités du blindage.
• Terminaison d'une seule extrémité, à la source.
• Terminaison d'une seule extrémité, au niveau du récepteur.

Intuitivement, ces directives semblent ne pas pouvoir être toutes correctes, ou elles peuvent peut-être l'être, en fonction des spécificités de la conception et du degré d'atténuation nécessaire. Des tests approfondis en laboratoire ont montré que pour un blindage efficace dans la plage des gigahertz (GHz), les deux extrémités du blindage doivent être terminées ; en d'autres termes, le blindage doit être continu et ininterrompu.

Les règles sont un peu plus souples pour les fréquences audio et les fréquences RF inférieures. Cependant, la terminaison du blindage à une seule extrémité peut être acceptable pour des applications jusqu'à environ 1 mégahertz (MHz), mais elle ne convient pas pour des dizaines de MHz et plus.

Nécessité d'un blindage complet

Les résultats des tests détaillés ont également montré à quel point la terminaison en « queue de cochon » courte largement utilisée pour le blindage est souvent inefficace (Figure 2). Même si elle ne mesure que quelques millimètres (mm) de long, sa faible inductance nuit à ses performances à plus hautes fréquences et peut ainsi annuler une grande partie des performances du blindage. Pire encore, la borne de queue de cochon inoffensive peut en fait être contre-productive en agissant comme une source de rayonnement d'énergie électromagnétique (une antenne), rayonnant davantage d'EMI/RFI au lieu d'être simplement inefficace pour l'atténuer.

Figure 2 : La terminaison de blindage en queue de cochon, d'aspect inoffensif, sur ce câble HDMI est non seulement inefficace, mais peut également constituer une source de rayonnement électromagnétique contre-productive. (Source de l'image : Dana Bergey et Nathan Altland, via Interference Technology)

Ce qu'il faut, c'est une couverture physique à 360° au niveau de la terminaison de blindage, ce qui est exigé par la plupart des normes MIL et hautes performances (Figure 3).

Figure 3 : Une terminaison complète à 360° (en haut) est nécessaire pour une efficacité de blindage maximum, plutôt qu'une connexion queue de cochon simple et rapide à la terre (en bas). (Source de l'image : ResearchGate)

La nécessité d'une terminaison aux deux extrémités avec une couverture à 360° sans interruption repose sur la physique : à mesure que les fréquences de fonctionnement augmentent dans la gamme des centaines de MHz et de GHz, les longueurs d'onde correspondantes deviennent plus courtes. Cela signifie que même de minuscules interruptions dans la couverture du blindage représentent une véritable fenêtre d'opportunité pour le passage de l'énergie du signal avec peu ou pas d'atténuation.

Outre les fréquences plus élevées, les systèmes actuels sont plus denses. Cela signifie que toute perte de propagation RF entre l'agresseur et la victime est bien moindre, car la perte de propagation augmente comme le carré de la distance. Ainsi, même une quantité apparemment insignifiante de signaux non intentionnels de l'agresseur peut atteindre et affecter les circuits de la victime avec une intensité relativement élevée.

L'utilisation d'un blindage avec une intégrité à 360°, souvent caractérisé par des câbles et connecteurs coaxiaux individuels, est certainement efficace en ce qui concerne la protection contre les EMI/RFI. Cependant, l'utilisation de câbles coaxiaux interfère souvent avec les besoins de haute densité physique de nombreux systèmes.

De plus, de nombreux systèmes hautes performances nécessitent un blindage sur plusieurs lignes de signaux parallèles, comme on peut le voir dans deux scénarios de base :

• Pour les interconnexions carte-à-carte, par exemple entre une carte mère et une carte mezzanine, avec un seul blindage autour des multiples lignes

• Plusieurs câbles coaxiaux blindés dans un seul assemblage de câble, avec un seul connecteur homologue

Blindage unique pour les conceptions carte-à-carte

L'idée d'utiliser un seul blindage pour plusieurs lignes de signaux est simple dans son principe. Les multiples lignes sont entourées d'un blindage replié sur l'embout, en contact avec le capot du connecteur (Figure 4).

Figure 4 : En enroulant le blindage autour du groupe de conducteurs de signaux, les multiples lignes sont protégées en tant que groupe. (Source de l'image : Samtec)

Cette approche résout le problème de blindage et ne requiert qu'un espace supplémentaire minimal sur la carte par rapport à une interconnexion non blindée. Il est important que le connecteur multiligne blindé offre les mêmes performances de lignes de signaux de base qu'un connecteur non blindé, tout en garantissant une connexion et une déconnexion fiables et cohérentes sans compromettre le blindage.

Un exemple d'une telle interconnexion blindée multiligne est une paire de connecteurs blindés carte-à-carte à 20 positions, l'embase ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR et la prise ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR de Samtec (Figure 5). Ces connecteurs haute vitesse robustes sont conçus pour les applications à cycle élevé et haut débit (codage NRZ (non-retour à zéro) à 28 gigabits par seconde (Gb/s) et modulation d'amplitude d'impulsion à quatre niveaux (PAM4) à 56 Gb/s).

Figure 5 : L'embase ERM8 à 20 positions (à gauche) et la prise ERF8 correspondante (à droite) offrent une connectivité carte-à-carte blindée. (Source de l'image : Samtec)

Les connecteurs offrent un glissement des contacts jusqu'à 1,5 mm, un verrouillage renforcé et un blindage à 360°, et ils sont robustes lorsqu'ils sont tirés avec une force excentrée non normale lors de la déconnexion. Les performances haute vitesse sont rendues possibles par le système de contact Edge Rate de Samtec, conçu pour les applications à cycle élevé, haute vitesse. Le dispositif est optimisé pour l'intégrité des signaux grâce à une réduction du couplage transversal et il présente une surface de contact lisse et largement fraisée pour une usure réduite (Figure 6).

Figure 6 : Pour réduire le couplage de signal transversal, les dispositifs ERM8 et ERF8 utilisent le système de contact Edge Rate propriétaire. (Source de l'image : Samtec)

Les contacts largement fraisés créent une surface de contact lisse, contrairement à un contact estampé qui se raccorde sur un bord coupé. Cette surface de raccordement lisse permet de réduire les marques d'usure sur le contact, augmentant ainsi la durabilité et le cycle de vie du système de contact. Elle réduit également les forces d'insertion et de retrait.

Des câbles coaxiaux sont également nécessaires

Les câbles coaxiaux jouent un rôle essentiel et incontournable dans la transmission des signaux, mais l'utilisation d'interconnexions ne prenant en charge qu'un seul câble coaxial peut s'avérer frustrante lorsque plusieurs signaux parallèles sont nécessaires. Pour remédier à cette situation, Samtec propose une gamme de connecteurs de câbles coaxiaux blindés multilignes prenant en charge 20, 30, 40 et 50 positions, notamment le LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, un connecteur hermaphrodite à montage en surface et raccordement automatique à 20 positions (Figure 7).

Figure 7 : Le LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR est un connecteur hermaphrodite à montage en surface et raccordement automatique à 20 positions, avec jusqu'à 50 positions. (Source de l'image : Samtec)

Le LSHM est un connecteur haute densité robuste, destiné à une utilisation dans les applications carte-à-carte et carte-à-câble, avec un blindage en option pour la protection EMI. Grâce à son système de contact à pas fin Razor Beam, la conception hermaphrodite permet d'économiser de l'espace carte sur les axes X, Y et Z. Ce connecteur présente un pas de 0,50 mm et émet un clic audible lors du raccordement, avec des forces de connexion et de déconnexion environ quatre à six fois supérieures à celles des connecteurs à micro-pas classiques.

Ce connecteur à montage sur carte ne constitue que la moitié du processus d'interconnexion, car un assemblage de câble est nécessaire (Figure 8). Cet assemblage utilise également la technologie Razor Beam avec un pas de 0,50 mm.

Figure 8 : Les assemblages de câbles coaxiaux à raccordement automatique à pas fin Razor Beam offrent une solution carte-à-câble multiligne complète. (Source de l'image : Samtec)

Un assemblage de câble complémentaire pour le connecteur coaxial multiligne blindé à montage sur carte à 20 positions est le HLCD-10-40.00-TD-TH-1, un câble d'un mètre de long avec des connecteurs hermaphrodites sans genre à raccordement automatique à chaque extrémité (Figure 9). Il utilise un câble micro-coaxial de 38 AWG avec une impédance de 50 ohms (Ω) et il est répertorié à 14 Gb/s par contact.

Figure 9 : Les assemblages de câbles micro-coaxiaux 50 Ω multilignes, tels que le HLCD-10-40.00-TD-TH-1 à 20 positions, sont dotés de connecteurs hermaphrodites sans genre à raccordement automatique à chaque extrémité. (Source de l'image : Samtec)

Recommandations

Pour simplifier la spécification et l'utilisation de ces connecteurs haute vitesse, Samtec a étendu le concept de configurations de circuits imprimés des fabricants et de modèles de connecteurs SPICE en proposant des conceptions de référence pour l'un des problèmes de conception les plus complexes sur la carte : la « région de dérivation » (BOR) critique autour du connecteur haute vitesse. Les ingénieurs de Samtec spécialisés dans l'intégrité des signaux ont développé la conception « Final Inch Break Out Region » avec des recommandations liées au routage des pistes de circuits imprimés pour un grand nombre de leurs séries de connecteurs haute vitesse.

Ces recommandations de conception sont basées sur une utilisation avec des matériaux de carte standard, des couches multiples et des processus de fabrication à faible coût et à haut rendement, et ne nécessitent aucun traitement spécial. Ces recommandations peuvent permettre d'économiser du temps et des ressources de conception, de développement et de validation, et d'équilibrer les performances avec la fabricabilité et le coût.

Conclusion

Un blindage électrique complet des câbles, des connecteurs et des interconnexions est essentiel pour l'intégrité et les performances des signaux dans les configurations carte-à-carte et carte-à-câble. Le problème de blindage est plus complexe lorsqu'il y a plusieurs signaux parallèles qui doivent être blindés pour prévenir les émissions EMI/RFI ou la sensibilité à ces émissions. Comme illustré, Samtec propose différentes gammes d'interconnexions carte-à-carte multilignes et carte-à-câble coaxial pour simplifier l'intégration et la fabrication, tout en maintenant un haut niveau d'intégrité et de performances mécaniques et électriques.