eng
Выпуск #2/2010
А.Смирнов.
MicroTCA в промышленных условиях – решения компании Harting
MicroTCA в промышленных условиях – решения компании Harting
Просмотры: 4861
Стандарт MicroTCA, изначально разработанный для телекоммуникаций, можно успешно применять и в промышленных системах. Однако для этого необходимо обеспечить устойчивость систем MicroTCA к воздействию жестких промышленных условий. Решения, предлагаемые компаний HARTING, помогают эффективно справиться с этой задачей.
Несколько лет назад в телекоммуникациях на смену стандарту Compact PCI пришел стандарт ATCA (AdvancedTCA – Advanced Telecom Computing Architecture – современная архитектура телекоммуникационных компьютеров). Система ATCA представляет собой крейт, в котором размещены кросс-плата и набор дочерних плат. На эти дочерние платы можно устанавливать платы, получившие название AdvancedMC (Advanced Mezzanine Card). Они размещаются параллельно плоскости дочерней платы.
Системы ATCA высокопроизводительны и надежны, но, к сожалению, широкому применению стандарта ATCA в промышленности препятствует ряд обстоятельств. Во-первых, это высокая стоимость систем ATCA, избыточная для промышленных задач производительность и относительно большие габариты. Во-вторых, промышленные условия значительно отличаются от телекоммуникационных. Это касается, в первую очередь, вибрации и температурного диапазона эксплуатации. Третья проблема – технологическая. Стандарт ATCA достаточно жестко регламентирует толщину печатной платы модулей AdvancedMC: 1,6 мм ± 10%. Кроме того, контактная часть дорожек должна быть стойкой к истиранию. Следование этим требованиям делает платы гораздо дороже. Кроме того, они не подлежат ремонту в случае повреждения контактных дорожек.
Решением первой проблемы стал переход от систем AdvancedTCA к системам MicroTCA. Чтобы справиться со второй проблемой, были выработаны промышленные спецификации стандарта MicroTCA и созданы изделия, соответствующие этим стандартам. Третью проблему можно решить, применив специальные соединители. Рассмотрим эти вопросы подробнее.
Стандарт MicroTCA
В стандарте MicroTCA, или MTCA (Micro Telecom Computing Architecture), модули AdvancedMC используются в качестве самостоятельных плат. Они подсоединяются непосредственно к кросс-плате. В результате из конструкции исключаются габаритные и дорогостоящие несущие платы (дочерние платы в стандарте ATCA). За счет этого система становится более компактной и дешевой, чем ATCA.
Модуль управления в MicroTCA представляет собой картридж MCH (MicroTCA Carrier Hub), объединяющий до четырех мезонинных модулей (рис.1). Один MCH может контролировать до 12 модулей AdvancedMC. Кросс-плата MTCA запитывается от источника питания PSU (Power Supply Units). Компания HARTING серийно выпускает соединители для PSU и ответные – для кросс-плат (рис.2а,б). Они обеспечивают "горячую" замену модулей питания в полевых условиях.
Базовым стандартом для MicroTCA является MTCA.0. Но условия ударных воздействий и вибрации в нем не регламентируются. Сейчас заканчивается работа над спецификациями стандарта MicroTCA для промышленных условий, регламентирующими устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам: MTCA.1, MTCA.2 и МТСА.3.
Компания HARTING была первой среди производителей соединителей, кто успешно прошел тест по всем трем спецификациям. Самые жесткие тесты по вибрации (EIA-364-28, Test Condition V, Letter E, К) и ударам (ANSI/VITA 47 conduction cooled shock, MIL_STD-810, Method 516, Procedure I), предусмотренные в МТСА.3, соединители HARTING перекрывают со значительным запасом. Таких показателей удалось достичь благодаря технологии con:card+.
Технология con:card+
В соединителях, которые изготавливаются в соответствии с технологией con:card+, применен ряд решений, значительно увеличивающих надежность систем ATCA и MTCA.
Специальный материал контактов. В отличие от традиционных соединительных систем типа "вилка-розетка", AdvancedMC предусматривает только один, а не два контактных "язычка" на контакт. Для безотказной работы в течение длительного времени нужно, чтобы контактный "язычок" прижимался к ответной золотой "подушечке" платы с одинаковым достаточным усилием в течение всего срока эксплуатации. Проблема усугубляется ранее описанным допуском в 10% на толщину печатной платы. Отвечая этим требованиям, HARTING разработал специальный сплав с очень низким показателем усталости для контактов соединителя.
Палладий-никелевое покрытие контактов. Чтобы улучшить эксплуатационные характеристики, поверхность контактов покрывают сплавом PdNi, а поверх наносят золото. В результате устойчивость покрытия к истиранию увеличилась примерно на 30%. Даже если частая расстыковка соединителя не нужна, палладий-никелевое покрытие обеспечивает лучшее качество контакта и коррозионную стойкость, чем просто золото.
Гладкая поверхность контакта. Спецификация AdvancedMC предусматривает не менее 200 циклов сочленения для каждого модуля. На печатной плате покрытие "никель/твердое золото" поверх сравнительно мягкой меди может быть устойчиво к большим нагрузкам только в случае гладкой поверхности контакта, иначе "микрозадиры" быстро повредят покрытие. Компания HARTING имеет огромный опыт в штамповке металла, поэтому контакты имеют абсолютно гладкую поверхность.
Направляющие пружины GuideSpring. Отличительной особенностью соединителей HARTING является конструкция с направляющими пружинами GuideSpring. Они прижимают плату к противоположной стенке соединителя. За счет этого обеспечивается точное совпадение контактов соединителя с контактными площадками плат AdvancedMC, а также достигается неподвижность соединения. Пружины многократно увеличивают надежность соединения и предотвращают "дребезг" контактов при вибрациях и ударах.
Монтаж запрессовкой соединителя в плату. При монтаже соединитель запрессовывается в плату при помощи стандартного или специально разработанного инструмента. Технология запрессовки является на сегодня наиболее экономически оправданной и гарантирует безотказную работу в течение длительного времени. Вибрация, изгибающие моменты и скачки температуры не представляют угрозы для этого вида соединения.
Соединитель Plug connector
Существенным недостатком конструктивов AdvancedTCA и MicroTCA является отсутствие соединителя как такового на мезанинных модулях. Функции вилки выполняют позолоченные дорожки на плате. Отсюда вытекает ряд сложностей:
выдержать допуск по толщине в 1,6 мм±10% может далеко не каждый производитель плат. Следовательно, стоимость плат увеличивается;
возможна ситуация, когда был установлен модуль с плюсовым допуском, а позже его заменили на аналогичный с минусовым. Согласно стандарту контакт при этом должен сохраняться. Но в промышленных условиях при вибрации контакт может быть нарушен;
в процессе эксплуатации контактные дорожки изнашиваются. И не обязательно во время циклов сочленения – достаточно просто вибрации. Вполне рабочий модуль придется заменять новым, так как он неремонтопригоден.
Для устранения этих недостатков был разработан специальный ножевой соединитель plug connector (рис.3). Он монтируется на край печатной платы вместо контактных дорожек (см. рис.1). Соединитель устанавливается в отверстия платы и пропаивается. Платы с plug connector можно применять в обоих конструктивах ATCA и MTCA. Этот соединитель рекомендован спецификацией MTCA.0 для обеспечения прецезионной точности между контактными поверхностями в модулях MCH.
Если вы используете такой соединитель, ограничение на толщину платы в 1,6 мм снимается.
Удобство разработки новых систем
Очень часто выбор новых технологий и уход от старых "проверенных" решений связан с большими временными и финансовыми затратами. Понимая это, HARTING идет навстречу своим заказчикам, предлагая ряд полезных бесплатных сервисов. На сайте компании создана информационная система HARKIS (http://www.harkis.harting.com), открывающая доступ к техническим характеристикам соединителей и позволяющая свободно скачивать чертежи и трехмерные модели. Наличие такого сервиса значительно сокращает трудозатраты на разработку новых изделий. Кроме того, совсем недавно появилась возможность бесплатного заказа образцов для новых разработок, причем срок поставки в любую точку мира составляет 48 часов. Россия не является исключением. Теперь и финансовые затраты не являются преградой на пути новых технологий!
Системы ATCA высокопроизводительны и надежны, но, к сожалению, широкому применению стандарта ATCA в промышленности препятствует ряд обстоятельств. Во-первых, это высокая стоимость систем ATCA, избыточная для промышленных задач производительность и относительно большие габариты. Во-вторых, промышленные условия значительно отличаются от телекоммуникационных. Это касается, в первую очередь, вибрации и температурного диапазона эксплуатации. Третья проблема – технологическая. Стандарт ATCA достаточно жестко регламентирует толщину печатной платы модулей AdvancedMC: 1,6 мм ± 10%. Кроме того, контактная часть дорожек должна быть стойкой к истиранию. Следование этим требованиям делает платы гораздо дороже. Кроме того, они не подлежат ремонту в случае повреждения контактных дорожек.
Решением первой проблемы стал переход от систем AdvancedTCA к системам MicroTCA. Чтобы справиться со второй проблемой, были выработаны промышленные спецификации стандарта MicroTCA и созданы изделия, соответствующие этим стандартам. Третью проблему можно решить, применив специальные соединители. Рассмотрим эти вопросы подробнее.
Стандарт MicroTCA
В стандарте MicroTCA, или MTCA (Micro Telecom Computing Architecture), модули AdvancedMC используются в качестве самостоятельных плат. Они подсоединяются непосредственно к кросс-плате. В результате из конструкции исключаются габаритные и дорогостоящие несущие платы (дочерние платы в стандарте ATCA). За счет этого система становится более компактной и дешевой, чем ATCA.
Модуль управления в MicroTCA представляет собой картридж MCH (MicroTCA Carrier Hub), объединяющий до четырех мезонинных модулей (рис.1). Один MCH может контролировать до 12 модулей AdvancedMC. Кросс-плата MTCA запитывается от источника питания PSU (Power Supply Units). Компания HARTING серийно выпускает соединители для PSU и ответные – для кросс-плат (рис.2а,б). Они обеспечивают "горячую" замену модулей питания в полевых условиях.
Базовым стандартом для MicroTCA является MTCA.0. Но условия ударных воздействий и вибрации в нем не регламентируются. Сейчас заканчивается работа над спецификациями стандарта MicroTCA для промышленных условий, регламентирующими устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам: MTCA.1, MTCA.2 и МТСА.3.
Рис.1. Картридж MCH с установленными соединителями plug connector
Компания HARTING была первой среди производителей соединителей, кто успешно прошел тест по всем трем спецификациям. Самые жесткие тесты по вибрации (EIA-364-28, Test Condition V, Letter E, К) и ударам (ANSI/VITA 47 conduction cooled shock, MIL_STD-810, Method 516, Procedure I), предусмотренные в МТСА.3, соединители HARTING перекрывают со значительным запасом. Таких показателей удалось достичь благодаря технологии con:card+.
Технология con:card+
В соединителях, которые изготавливаются в соответствии с технологией con:card+, применен ряд решений, значительно увеличивающих надежность систем ATCA и MTCA.
Специальный материал контактов. В отличие от традиционных соединительных систем типа "вилка-розетка", AdvancedMC предусматривает только один, а не два контактных "язычка" на контакт. Для безотказной работы в течение длительного времени нужно, чтобы контактный "язычок" прижимался к ответной золотой "подушечке" платы с одинаковым достаточным усилием в течение всего срока эксплуатации. Проблема усугубляется ранее описанным допуском в 10% на толщину печатной платы. Отвечая этим требованиям, HARTING разработал специальный сплав с очень низким показателем усталости для контактов соединителя.
Рис.2. Соединитель питания: а – для кросс-платы, б – для PSU
Палладий-никелевое покрытие контактов. Чтобы улучшить эксплуатационные характеристики, поверхность контактов покрывают сплавом PdNi, а поверх наносят золото. В результате устойчивость покрытия к истиранию увеличилась примерно на 30%. Даже если частая расстыковка соединителя не нужна, палладий-никелевое покрытие обеспечивает лучшее качество контакта и коррозионную стойкость, чем просто золото.
Гладкая поверхность контакта. Спецификация AdvancedMC предусматривает не менее 200 циклов сочленения для каждого модуля. На печатной плате покрытие "никель/твердое золото" поверх сравнительно мягкой меди может быть устойчиво к большим нагрузкам только в случае гладкой поверхности контакта, иначе "микрозадиры" быстро повредят покрытие. Компания HARTING имеет огромный опыт в штамповке металла, поэтому контакты имеют абсолютно гладкую поверхность.
Направляющие пружины GuideSpring. Отличительной особенностью соединителей HARTING является конструкция с направляющими пружинами GuideSpring. Они прижимают плату к противоположной стенке соединителя. За счет этого обеспечивается точное совпадение контактов соединителя с контактными площадками плат AdvancedMC, а также достигается неподвижность соединения. Пружины многократно увеличивают надежность соединения и предотвращают "дребезг" контактов при вибрациях и ударах.
Монтаж запрессовкой соединителя в плату. При монтаже соединитель запрессовывается в плату при помощи стандартного или специально разработанного инструмента. Технология запрессовки является на сегодня наиболее экономически оправданной и гарантирует безотказную работу в течение длительного времени. Вибрация, изгибающие моменты и скачки температуры не представляют угрозы для этого вида соединения.
Соединитель Plug connector
Существенным недостатком конструктивов AdvancedTCA и MicroTCA является отсутствие соединителя как такового на мезанинных модулях. Функции вилки выполняют позолоченные дорожки на плате. Отсюда вытекает ряд сложностей:
выдержать допуск по толщине в 1,6 мм±10% может далеко не каждый производитель плат. Следовательно, стоимость плат увеличивается;
возможна ситуация, когда был установлен модуль с плюсовым допуском, а позже его заменили на аналогичный с минусовым. Согласно стандарту контакт при этом должен сохраняться. Но в промышленных условиях при вибрации контакт может быть нарушен;
в процессе эксплуатации контактные дорожки изнашиваются. И не обязательно во время циклов сочленения – достаточно просто вибрации. Вполне рабочий модуль придется заменять новым, так как он неремонтопригоден.
Для устранения этих недостатков был разработан специальный ножевой соединитель plug connector (рис.3). Он монтируется на край печатной платы вместо контактных дорожек (см. рис.1). Соединитель устанавливается в отверстия платы и пропаивается. Платы с plug connector можно применять в обоих конструктивах ATCA и MTCA. Этот соединитель рекомендован спецификацией MTCA.0 для обеспечения прецезионной точности между контактными поверхностями в модулях MCH.
Если вы используете такой соединитель, ограничение на толщину платы в 1,6 мм снимается.
Рис.3. Ножевой соединитель plug connector
Удобство разработки новых систем
Очень часто выбор новых технологий и уход от старых "проверенных" решений связан с большими временными и финансовыми затратами. Понимая это, HARTING идет навстречу своим заказчикам, предлагая ряд полезных бесплатных сервисов. На сайте компании создана информационная система HARKIS (http://www.harkis.harting.com), открывающая доступ к техническим характеристикам соединителей и позволяющая свободно скачивать чертежи и трехмерные модели. Наличие такого сервиса значительно сокращает трудозатраты на разработку новых изделий. Кроме того, совсем недавно появилась возможность бесплатного заказа образцов для новых разработок, причем срок поставки в любую точку мира составляет 48 часов. Россия не является исключением. Теперь и финансовые затраты не являются преградой на пути новых технологий!
Отзывы читателей
