Phoenix Contact Deutschland GmbH

Board-to-Board-Steckverbinder erfüllen alle Anforderungen für eine schnelle Datenübertragung inklusive EMV-Störfestigkeit.

Bild: Phoenix Contact; iStock, Dirtydog_Creative

Highspeed-Datenübertragung und EMV Board-to-Board-Steckverbinder - die Allrounder der Datenübertragung

03.05.2022

Die Vernetzung der Welt auf dem Weg zur All Electric Society verlangt von Schnittstellen und Geräten immer schnellere Datenübertragungen. Dies erfordert innerhalb von Geräten spezielle Verbindungen, die Signale und Daten möglichst schnell und sicher zwischen den entsprechenden PCBs hin und her leiten.

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Leiterplattenklemmen müssen Multitalente sein. Sie übertragen sowohl Daten als auch Signale und stellen die Leistungsversorgung für die jeweilige Applikation sicher. Gleichzeitig ergeben sich je nach konkreter Anwendung weitere Anforderungen – beispielsweise Robustheit, Variabilität oder eine geringe Baugröße.

Das Spektrum an Board-to-Board-Steckverbindern umfasst sowohl hochspezialisierte Lösungen als auch Allrounder, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind. Bei der Entwicklung solcher Allrounder entstehen konkurrierende Herausforderungen – zum Beispiel mechanische Robustheit und Signalintegrität der Datenübertragung.

Ein solches Allrounder-System bietet Phoenix Contact mit den Board-to-Board-Steckverbindern der Serie FP 0,8. Ein Portfolio von aktuell 90 verschiedenen Artikeln bietet Leiterplattenverbindungen im kompakten Rastermaß von 0,8 mm an. Verfügbar in mezzaniner oder gewinkelter Anordnung mit Datenübertragungsraten von mehr als 16 Gbit/s, eignen sie sich besonders für industrielle, mobile sowie moderne medizintechnische Applikationen. Das System basiert auf hermaphroditischen Doppelkontakten – der sogenannten ScaleX-Kontakttechnologie.

Die redundanten Kontakte ermöglichen eine zuverlässige Verbindung in nahezu allen Anwendungssituationen. Toleranzen in Steckposition und -winkel werden bis 0,7 mm beziehungsweise 5 Grad in allen Richtungen ausgeglichen. Im gesteckten Zustand ist eine Toleranzkompensation bis 0,3 mm in longitudinaler und transversaler Richtung gegeben. Gleichzeitig benötigen Steckverbinder der Serie FP 0,8 im Vergleich zu eher spezialisierteren Floating-Steckverbindern deutlich weniger Bauraum und ermöglichen dennoch multiple Verbindungen von Leiterplatten.

In Steckrichtung ist das Toleranzfenster noch deutlich größer: Zusätzlich zum qualifizierten Steckbereich, der sogenannten Wipe Length, von 1,5 mm verfügt der Steckverbinder über eine zusätzliche Kontaktsicherheit von rund 0,8 mm. Diese Eigenschaft ermöglicht es, Platinenabstände flexibel im Bereich von 6 bis 21 mm bei mezzaniner Anordnung zu realisieren. Auch mit den gewinkelten Typen ergeben sich verschiedene Einbaumöglichkeiten.

Weitere Flexibilität im Gerätedesign resultiert aus den fünf unterschiedlichen Polzahlvarianten – von 12- bis 80-polig – jeweils in der platzsparenden doppelreihigen Anordnung. Alle Steckverbinder sind sowohl in geschirmter als auch in ungeschirmter Ausführung verfügbar.

EMV und Datenübertragung

Prinzipiell lassen sich sowohl über die geschirmten als auch über die ungeschirmten Steckverbinder die gleichen Daten und Signale übertragen. Geometrisch unterscheiden sich die Kontakte in den Standardausführungen lediglich in der Ausgestaltung der Lötflächen. Die geschirmten Typen verfügen über Signalkontakte mit innenliegenden Gullwing-Lötflächen. Diese ragen bei den ungeschirmten Ausführungen unter dem Gehäuse hinaus, wodurch eine AOI-Kontrolle der Lötergebnisse ermöglicht wird. Wohingegen bei den geschirmten Typen beispielsweise eine CT- oder Röntgenanalyse zur Evaluierung der Lötergebnisse eingesetzt wird.

In den für die Datenübertragung üblichen Diagrammen zum Verhalten von Einfüge- und Rückflussdämpfung sowie zum Nebensprechen ergibt sich aus diesen geometrischen Unterschieden keine größere Abweichung. Anders ist es bei induzierten Feldern und resultierenden EMV-Eigenschaften. Hier zeigen geschirmten Steckverbinder ihre Vorteile. Unabhängig von der Schirmung dient eine Ground-Belegung einzelner Kontakte zum Potenzialausgleich und zur Abtrennung von Signalkontakten. Die geschirmten Steckverbinder verfügen zusätzlich über Schirmbleche in longitudinaler Ausrichtung mit multiplen Lötfüßen im Raster von 1,6 mm. Zusammen mit einer Ground-Belegung der äußeren Kontakte erzielt dies eine 360-Grad-Abschirmung. Somit werden die Signalkontakte gegen äußere Störeinflüsse geschützt und die eigene Störaussendung minimiert.

Die Darstellung der Magnetfelder veranschaulicht dies: Die geschirmte Ausführung induziert weder ein Feld außerhalb der Schirmung durch die innenliegende hochfrequente Signalübertragung, noch breitet sich das Feld eines äußeren Störsignals ins Innere aus und beeinflusst dabei negativ die Signalqualität. Anders ist es bei der ungeschirmten Ausführung. Insbesondere eine serielle Datenübertragung zeigt sehr plakativ das induzierte Magnetfeld.

Geschirmte B-to-B-Verbinder

Die dargestellten Effekte erfordern in vielen Anwendungen geschirmte Leiterplattenverbinder, um ein hohes Maß an Störfestigkeit der Signalkontakte gegen die Umgebung zu erhalten. Dies schützt sensible Signale bzw. hemmt stark emittierende Störungsquellen entsprechend effektiv in ihrer Intensität. Die Schirme der Board-to-Board-Steckverbinder der Serie FP 0,8 sind aus einer Kupfer-Nickel-Zinnlegierung gefertigt und damit selbst unmagnetisch. Diese Eigenschaft erlaubt es, sie etwa in bildgebenden Auswertesystemen wie Magnetresonanztomographen in der Medizintechnik einzusetzen.

Neben der proprietären Abschirmfunktion können die Schirmkontakte auch genutzt werden, um Strom zu übertragen. Damit bieten sie sich auch bei unkritischen Signalen an. Je nach Polzahl ist es möglich einen Strom von bis zu 10 A (12-polig) beziehungsweise 16 A (80-polig) pro Schirmblechseite zu übertragen. Auch an dieser Eigenschaft wird deutlich, dass es sich bei den Board-to-Board-Steckverbindern der Serie FP 0,8 um echte Allrounder für vielfältige Anwendungen handelt, wie sie für die vernetzten Geräte und Systeme erforderlich sind.

Datenübertragungsraten

Die vorgestellten Allrounder-Board-to-Board-Steckverbinder von Phoenix Contact erlauben Datenübertragungsraten von mehr als 16 Gbit/s. Konkret sind je nach Kombination auch deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten möglich. Zur Ermittlung einer Datenübertragungsgeschwindigkeit hat sich in der Nachrichtentechnik die Herleitung aus dem Einfügedämpfungsverhalten etabliert.

Üblich ist es, die Frequenz zu betrachten, bei der die Dämpfung das erste Mal den Betrag von 3 dB überschreitet. Übersetzt bedeutet eine Einfügedämpfung (engl. Insertion Loss) von -3 dB, dass das Signal auf rund 70 Prozent seiner Ausgangsspannung gedämpft ist. Basierend auf der Annahme einer binären Signalübertragung zeigt sich durch Verdopplung der ermittelten Frequenz bei -3 dB die Datenübertragungsrate.

Konkret ergibt sich beispielsweise bei FP 0,8 Board-to-Board-Steckverbindern in einer mezzaninen Anordnung mit 6 mm Platinenabstand eine Bandbreite von rund 17 GHz beim ersten Überschreiten der -3 dB Grenze – die maximale Datenübertragungsrate liegt somit bei etwa 34 Gbit/s und damit weit über den nominalen 16 Gbit/s.

Bildergalerie

  • ScaleX-Kontakttechnik mit hermaphroditischen Doppelkontakten sorgt für eine extrem robuste Board-to-Board-Verbindung.

    Bild: Phoenix Contact

  • Einfügedämpfung im Vergleich von geschirmter und ungeschirmter Board-to-Board-Verbindung (mezzanine Anordnung mit 6 mm Stapelhöhe mit differentieller Datenübertragung in 100 Ohm Impedanzumgebung)

    Bild: Phoenix Contact

  • Vergleich der magnetischen Felder bei serieller Datenübertragung mit geschirmter (links) und ungeschirmter Störquelle (rechts)

    Bild: Phoenix Contact

  • Das Portfolio umfasst geschirmte und ungeschirmte Ausführungen, die auch für multiple Board-to-Board-Verbindungen geeignet sind.

    Bild: Phoenix Contact

  • Beispielhafter Verlauf der Deratingkurven der Schirmbleche in einer mezzaninen Anordnung

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  • Design-in-Support für eine optimale Steckverbinderkombination und Kontaktbelegung mit Arndt Schafmeister

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  • Arndt Schafmeister, Senior Specialist Board-to-Board Connectors, Development PCC bei Phoenix Contact.

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  • Arndt Schafmeister, Senior Specialist Board-to-Board Connectors, Development PCC bei Phoenix Contact.

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