Эволюция разъемов для мобильных устройств: меньше, быстрее, надежнее. Часть 1

Тенденция к миниатюризации коснулась широкополосных и узкополосных разъемов, причем их разработчики стремятся обеспечить и более высокие надежность и скорость. О том, какие факторы оказывают влияние на эволюцию разъемов и какие примеры изменений можно увидеть на рынке уже сейчас, пойдет речь в этой статье.

Широкополосные разъемы так называемого графического типа (то есть предназначенные в первую очередь для подключения графических карт и дисплеев) постоянно развивались в сторону большего удобства их применения и большей емкости и плотности контактов. Разъемы меньшие по габаритам, но с более надежной фиксацией и конструкцией контактов, обеспечивающей просто и более легкое сочленение, используются на кабелях для передачи связанных по напряжению переменного тока дифференциальных сигналов, в виде потока последовательных данных. Это происходит, например, в таких распространенных интерфейсах как LVDS, MiPi, HDMI, eDP, PCIe, USB и Thunderbolt 3. Серийно выпускаемые миниатюрные разъемы используются в кабельных сборках для гарнитур, мобильных телефонов, подключения дисплеев (для подключения блока трансляции приборной панели на ветровом стекле и TFT-дисплеев) коаксиальных кабелей мостов PCIe x8 и многого другого.

Более узкополосные радиочастотные разъемы тоже эволюционировали в сторону мобильности и повышения емкости. В общем, можно сказать, что и они стали меньше, но быстрее.

Беспроводная технология «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT) также наложила свой отпечаток и требует, чтобы для обеспечения связи (здесь необходимо подключение антенны и микросхемы трансивера) использовались надежные миниатюрные разъемы с высокими характеристиками в части затухания и потерь на отражения. Как правило, для такого подключения нужен не только сам - разъем, но и готовая кабельная сборка, при разъем, но и готовая кабельная сборка, при чем кабель в ней должен соответствовать основным характеристикам разъема.

В общем случае для этой цели применяется полностью экранированный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, соответственно, и разъем с таким же импедансом. Важным моментом, на который следует уже сейчас обратить внимание, — сокращение потерь сигнала в кабельной сборке, что связано с увеличением рабочей полосы частот для новых стандартов связи поколения 5G, действующих в области миллиметровых волн.

На производительность тракта передачи сигнала между отдельными внутренними частями устройства через кабельную сборку самое непосредственное влияние оказывают среды передачи сигнала, конструкции разъемного соединения и формирования окончания (терминации). Все это в совокупности описывается таким понятием, как «целостность сигналов» (Signal Integrity), и понимается как наличие достаточных для безошибочной передачи качественных характеристик электрического сигнала.

Каждый межмодульный кабель здесь имеет свои преимущества и недостатки, которые, собственно, и определяют набор пользовательских функций для конкретного приложения.

Некоторые анализируемые варианты подключения графических разъемов включают следующее: плоский гибкий кабель (Flat Flexible Cable, FFC), гибкая печатная плата (Flexible Printed Circuit, FPC), двойной микрокоаксиальный кабель (Twin Micro-coax), два отдельных микрокоаксиальных кабеля (Two Micro-coax) или более старый вариант — экранированные витые пары (Shielded Twisted Pair, STP).

Для систем промежуточного (межмодульного) уровня подключенными к радиочастотным разъемам являются коаксиальный провод и высокоскоростные гибкие печатные платы.

Целостность сигнала в отношении его передачи с использованием графического разъема проверяется анализом его характеристик как во временной области (импеданс, структура глазка, расфазировка дифференциальных сигналов), так и в частотной области. Здесь мы оцениваем вносимые потери (Insertion Loss, IL), возвратные потери (Return Loss, RL), называемые еще «потери на отражение», перекрестные помехи на ближнем конце в паре связанных линий передачи (Near End Crosstalk, NEXT), перекрестные помехи на дальнем конце в паре связанных линий передачи (Far End Crosstalk, FEXT), как один из важных параметров оценки рассогласования дифференциальных линий передачи, описывающих преобразование дифференциальных сигналов в дифференциально-синфазное Scd21 (Differential to Common Mode Conversion). Этот ключевой параметр соответствует соотношению амплитуд дифференциального и синфазного сигналов и должен достигать максимально высоких значений, поскольку чем больше величина Scd21, тем выше уровень подавления паразитного синфазногосигнала и, следовательно, лучшее согласования дифференциальных пар. Оценка тракта передачи в виде кабельной сборки осуществляется с помощью измерительных приборов как векторный анализатор цепей (Electronic Network Analyzer, ENA) с диапазоном частот до 50 ГГц, подключенный через 16-портовый коммутатор. Для оценки подключения линейных однорядных разъемов была использована модель s12p, а для двухрядных — s16p.

Анализ целостности сигнала в системе радиочастотной кабельной сборки с разъемами выполнялся во временной области оценкой волнового сопротивления (импеданса), а анализ в частотной области — с помощью коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) и вносимых потерь.

Уменьшение размера: графические и радиочастотные разъемы

Миниатюризация графических разъемов для дисплеев

Кабельные мосты, используемые для модульности внутренней подсистемы встроенных межсоединений, как правило, снабжаются разработчиком OEM-устройств разъемами с обеих сторон. Это приложение было первым, которое подверглось изменению прежде, чем был разработан соответствующий стандарт. В стандарте VESA ^[1] 16:9 для ноутбуков (он стал публично доступен в 2009 году) для передачи сигнала изображения был выбран фиксирующийся более тонкий низкопрофильный разъем, также способный передавать питание для светодиодов подсветки тонких дисплеев.

Кстати, напомнить, что старые варианты подсветки TFT-дисплеев, а именно подсветка на флуоресцентных лампах с холодным катодом (CCFL), содержали ртуть и были запрещены в странах Европейского союза начиная с 2009 года.

Ассоциация VESA выбрала конструкцию контактов графического разъема, которая хорошо себя показала для повышения скорости передачи данных, — eDP^[2]. Качество и надежность выбранного контакта дисплейного разъема было подтверждено успешной передачей дифференциальных сигналов интерфейса Thunderbolt ^[3] на скорости 20 Гбит/с.

Новый панельный разъем VESA, наряду с решением проблемы миниатюризации, улучшил надежность сочленения и подтвердил более высокую пропускную способность передачи данных. Как видно на рис. 1, более старый и крупный разъем для дисплеев с CCFL подсветкой использовал боковые защелки для фиксации в гнезде дисплея, что не могло гарантировать полного сцепления сопряженного комплекта до его фиксации на месте. 

К 2012 году для интерфейса USB также был принят уменьшенный размер разъема External Type-A, предназначенный для портов USB 2.0, действующих на скоростях до 480 Мбит/с. Он уменьшен до размера Type-C, который передает USB 3.1 Gen 2 со скоростью до размера mini-DP (mDP).

Для того чтобы уменьшить занимаемое разъемами в мобильных устройствах пространство, в новых разработках таких продуктов предусмотрена укороченная, не отвечающая стандартам экранированная низкопрофильная конструкция разъема для подключения гибких печатных плат к жестким (FPC-PCB). В общем, это соединение типа «плата-плата» (Board-to-Board), но рассчитанное на более высокую скоростью передачи данных, что необходимо для подключения дисплея с высоким разрешением. Типичный размер экранированного 56-контактного разъема FPC-PCB в двухрядном исполнении с шагом 0,35 мм показан на рис. 2.

Широкомасштабное производство позволило успешно применять такие разъемы для передачи дифференциальных сигналов стандарта Thunderbolt при подключении гибких шлейфов к жестким платам (FPC-to-PCB).

Миниатюризация радиочастотных разъемов устройств «Интернета вещей»

Начиная с 2001 года с помощью беспроводной локальной сети (Wireless Local Area Network, WLAN) устройства Wi-Fi были массово развернуты с использованием нескольких узкополосных частотных каналов, которые переходят от узкополосного к узкополосному на частоте около 2,4 ГГц. В течение 2004 года были развернуты беспроводные глобальные сети WWAN (Wireless Wide Area Networks), работающие в диапазоне частот 5 ГГц), но для них требовались гораздо более короткие подключения для модуля Reach, чем для WLAN. Для того чтобы избавиться от этого ограничения разработаны новые экранированные, оптимизированные 50-Ом разъемы, к которым мог подключаться более длинный 50-Ом коаксиальный провод. Благодаря мерам по повышению надежности сочленения стала доступна функция блокировки для оригинального радиочастотного кабеля круглого сечения (рис. 3).

С 2012 года тенденция, направленная на снижение толщины мобильных устройств, побудила PCI-SIG (PCI Special Interest Group — некоммерческая организация, задача которой состоит в развитии и управлении основанными на шине PCI стандартами передачи данных) разработать карту PCIe формата M.2 (спецификация компактных компьютерных карт расширения и их разъемов.). Первоначально в основном она было предназначена для встраиваемых радиочастотных модулей, но впоследствии компания Memory создала карточные решения формата M.2. Без компонентов сопряжения высота платы M.2 составляла максимум 1,5 мм, однако многие производители хотят иметь такую карту высотой не более 1,2 мм. Более старые спецификации PCIe Mini Card допускали общую толщину 5,5 мм, которая вообще была чересчур большой и недопустимой для применения в современных конструкциях ультратонких мобильных уст

Во время разработки спецификации PCIe M.2 размер радиочастотного соединителя уже изначально был миниатюрным и прочным, как это повелось со времен развертывания WLAN и использования мини-карт PCIe (рис. 4).

В настоящее время высота сопряжения с цилиндрическим радиочастотным соединителем не превышает 1 мм, его конструкция разработана для достижения высоких частотных характеристик. Такие разъемы предназначены для аппаратуры мобильной связи пятого поколения в миллиметровом диапазоне около (38 ГГц и выше).

Свободное пространство, доступное внутри мобильных устройств, постоянно уменьшается, собственно, это и привело к разработке миниатюрных экранированных радиочастотных соединителей. Кроме того, экранированные конструкции для гибких печатных плат FPC, состоящие из слоистых материалов, допускающих высокую скорость передачи сигналов, в любом случае заканчиваются на разъемах. Здесь для новых конструкций смартфонов преимуществом является высота соединителя типа «палата-плата», равная 0,7 мм.

Особенности сборки мобильного устройства требуют его модульности

Движущим фактором повышения производительности (здесь имеется в виду сокращение времени сборки мобильных устройств в ходе их изготовления) является использование подключаемых модулей их подсистем, таких как дисплейные сборки и PCIe M.2 радио или модулей памяти. Это позволяет достичь гибкости подсистем за счет более простого добавления желаемой функции. Кроме того, модульная конструкция позволяет тестировать параметры различных модулей непосредственно перед сборкой конечного продукта.

Модули требуют подключения при помощи соответствующих разъемов. Однако разъемы вносят не только разрывы в канал передачи, но и влияют на те или иные характеристики тракта. Исследование воздействия таких разрывов в канале передачи называется анализом целостности сигнала (Signal Integrity).

Литература

1. I-PEX-Fukuchi, IER-001-08116, 20 Gbps Transmission Performance 254 mm Evaluation. April 17, 2017.
2. I-PEX, RF Connector Testing Method to 20 GHz. January 27, 2015.
3. Walraven D. QST-ARRL. Understanding SWR by Example. November 2006. www.arrl.org/files/file/Technology/tis/info/pdf/q1106037.pdf
4. Legault A. SID-Information Display. Create Higher Resolution Displays with the VESA DSC Standard.https://sid.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/j.2637-496X.2017.tb00995.x
5. Bockelman D. E., Eisenstadt W. R. Combined Differential Common-Mode Scattering Parameters: Theory and Simulation // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2015. Vol. 43. www.ieeexplore.ieee.org/abstract/document/392911

[1] VESA — Международная ассоциация стандартизации видеоэлектроники, целью которой является разработка стандартов, так или иначе относящихся к работе видеоадаптеров, мониторов и телевизоров. — Прим.пер.
[2] DisplayPort — стандарт сигнального интерфейса для цифровых мониторов. — Прим. пер.
[3] Аппаратный интерфейс, ранее известный как Light Peak, разработанный компанией Intel в сотрудничестве с Apple. — Прим. пер

Авторы:

Грегори А. ЯнГ (Gregory A. YounG)

Перевод:

Владимир Рентюк
Андрей Ковригин