Highspeed – moderne Signalübertragung

Bei modernen mobilen Geräten und Industriegeräten besteht oft die Anforderung, die Elektronik auf kleinsten Bauraum bei geringem Gewicht mit hoher Zuverlässigkeit zu kombinieren. Unter dem Namen SMARTflex bietet GED jetzt einen Service zur Planung und Fertigung von flexiblen Leiterplatten und Verbindungen für Highend-Anwendungen.


SMARTflex-Verbinder mit Schirmung – ideal für Highspeed-Signale in störungsreicher Industrieumgebung

Mit flexiblen gedruckten Schaltungen (FPCs) lassen sich enge mehrdimensionale Elektronik-Konzepte optimal realisieren, auch in komplexen Anwendungen. Denn FPCs eignen sich sehr gut dafür, hohe Signalraten auf Verbindungen zwischen Baugruppen oder Steckverbindern zu übertragen, wie sie bei Multimedia- und Bildverarbeitungsgeräten entstehen. Aber auch moderne Bussysteme für Industrieelektronik oder Medizintechnik wie Gigabit Ethernet, PCIexpress oder USB 3.0 erreichen Frequenzen im Gigahertz-Bereich. Der Trend der Signalraten liegt bei modernen Geräten im Bereich von 2,5 bis 10 Gbit.

links: Flexverbinder für Industriekamerasystem, rechts: komplexe Flex-LP aus einem Mobiltelefon

links: Flexverbinder für Industriekamerasystem, rechts: komplexe Flex-LP aus einem Mobiltelefon

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Differentielle Signalübertragung

Die Dämpfung von -3 dB bedeutet eine Reduzierung auf ca. 70 % des Originalwertes der Spannung und auf 50 % der Leistung

Die Dämpfung von -3 dB bedeutet eine Reduzierung auf ca. 70 % des Originalwertes der Spannung und auf 50 % der Leistung

Die Signalübertragung im Gigabit-Bereich erfolgt häufig mit differentieller Signalübertragung. Die Vorteile dieser Übertragungsart sind eine hohe Störsicherheit und Übertragungsbandbreite. Es können kleine Signalpegel verwendet werden; damit verbunden ist ein reduzierter Leistungsbedarf für die Treiberbausteine. Häufig ist die Signalübertragungskette für eine differentielle Impedanz von 100 Ohm ausgelegt, USB-Signale sind für 90 Ohm ausgelegt. Wegen der niedrigen Betriebsspannungen von 3,3 V oder gar nur 1,8 V sind die Abstände der Schaltpegel sehr gering. Für eine zuverlässige Übertragung ist eine hohe Störsicherheit daher besonders wichtig.

Im Gigabit-Bereich spielt die Reduzierung der Leitungsverluste eine wichtige Rolle. Diese Verluste werden hervorgerufen durch die dämpfenden Eigenschaften der verwendeten Materialien, die Leitungsgeometrie und auch die Anschlüssen. Um Leitungsverluste zu reduzieren, ist eine verlustarme Auslegung des kompletten Verbindungssystems erforderlich, also nicht nur der Leitung, sondern auch aller Anschlüsse wie zum Beispiel Stecker.


Führung der Leitungspaare

Flexkabel3 Flexkabel4Zur Führung der Leitungspaare stehen bei der differentiellen Signalübertragung verschiedene Techniken zur Verfügung. Das Leitungspaar kann nebeneinander oder übereinander geführt werden (Broadside oder Edge Coupled). Zur Reduzierung der Störanfälligkeit und zur Verbesserung der EMV-Eigenschaften werden die Verbindungen optimalerweise geschirmt geführt (Stripline).


Auslegung und Berechnung der Leitungspaare

Flexkabel5Um eine sichere Signalübertragung zu gewährleisten, ist bei der Auslegung und Berechnung des physikalischen Leitersystems auch wichtig, die Verluste im entsprechenden Frequenzbereich zu betrachten. Bereits bei Verbindungsstrecken ab 50 mm zeigen sich relevante und zu berücksichtigende Werte. Mit dem Fieldsolver Softwaretool Si9000 von Polar lassen sich diese Einflüsse bereits bei der Auslegung des Verbindungssystems simulieren. Die Simulation im Bild unten zeigt einen Verlust von Dielektrikum und Leiter von -1,2 dB (blaue Kurve) bei einer Leiterstrecke von 250 mm und einer Frequenz von 1 Ghz.

Die Auslegung des Leitersystems ist so zu dimensionieren, dass die dielektrischen Verluste im Träger und die Skin-Verluste des Leiters möglichst klein gehalten werden. Bei 2,5 Gbit Übertragung sollte eine Länge von 500 mm nicht überschritten werden. Bei flexiblen Leitern kann diese Konstellation schwierig werden, weil die Designparameter eine Gesamtdicke des Flexverbinders von > 0,5 mm ergeben; dieser ist nicht mehr sonderlich flexibel. GED setzt spezielle Designtechniken und spezielle Materialien ein, die es ermöglichen, geringere Dicken von zum Beispiel 0,25 mm zu erreichen.

Man kann verschiedene Parameter beeinflussen, die sich dann entsprechend auswirken:

  • Niedrigere Dielektrizitätskonstante (Material) = Höhere Impedanz
  • Schmalere Leiterbreite und Dicke = Höhere Impedanz
  • Dickeres Dielektrikum = Höhere Impedanz
  • Spezielle Designtechniken, präzisere Fertigungstoleranzen = Höhere Impedanz

Hochflexible, sehr dünne Highspeed-Verbinder

Hierfür setzt GED ein spezielles kleberloses Polyimid ein, das nur 20 µm dick ist. In Kombination mit LCP-Folien (Liquid Crystal Polymer) wird ein εr von 2,9 erreicht, gegenüber 3,8 bei Standard-Polyimid-Aufbauten. Diese Materialkombination ist auch für Hochfrequenzanwendungen bis 20 GHz geeignet.


Signalintegrität und EMC-Analyse

Für anspruchsvolle Signalanforderungen im Multi-Gigabitbereich oder auch bei mechanisch komplizierten Verbindungsaufbauten bietet GED die Simulation der Signalintegrität an. Dabei werden nicht nur die Verbindungswege simuliert, sondern auch die Steckverbinder oder Durchkontaktierungen.

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Bereits im Vorfeld lassen sich schnell und einfach Simulationen mit der „Presimulation“ durchführen. Das hilft dabei, in der Konstruktionsphase schneller die geeigneten Werte zu finden. In der Presimulation lassen sich Crosstalk-Analysen durchführen. Außerdem hat man die Möglichkeit, auf diesem Wege die Leiterbreiten und Abstände mit dem Lagenaufbau zu optimieren und die Terminierung optimal anzupassen. Nach Fertigstellung des Routings erfolgt die Simulation der realen Übertragungsstrecken. Dadurch können vor dem Start der Leiterplattenfertigung Aussagen über die Signalübertragung auf der Leiterplatte gemacht werden. Dies spart Zeit und Kosten.


Der Service von GEDFlexkabel9

  • Beratung und Planung des Verbindungssystems
  • Berechnung der Flexleiters für LVDS-Highspeed-Signale oder andere Anforderungen
  • Beratung bei der Auswahl geeigneter Steckersysteme
  • Leiterbahn-Design, insbesondere Highspeed-Signale
  • Fertigungsabstimmung und Testkonzept
  • Lieferung komplett bestückter und geprüfter Flexverbinder

Der erweiterte Service

  • Simulation der Signalintegrität mit Mentor Hyperlynx
  • Mechanische Konstruktion inklusive Einbauplanung und Befestigung
  • Konzepte für Leistungssteigerung und erhöhte Zuverlässigkeit
  • Ersatz von Kabelbäumen, Kostenoptimierung

Ihr direkter Kontakt zu uns

Telefon: +49 (0) 2247 9219-0.

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