DE102022211965A1 - Connectors - Google Patents
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Abstract
Steckverbinder mit integrierter kapazitiver Masseanbindung, der aufweist: einen Massekäfig (72), einen Masseanschluss (82) für einen Schirm (130) des Steckverbinders (70), wobei ein Zwischenraum zwischen dem Massekäfig (72) und dem Masseanschluss (82) für den Schirm (130) des Steckverbinders (70) zumindest abschnittsweise mit einem Dielektrikum (74) gefüllt ist.Connector with integrated capacitive ground connection, comprising: a ground cage (72), a ground connection (82) for a shield (130) of the connector (70), wherein an intermediate space between the ground cage (72) and the ground connection (82) for the shield (130) of the connector (70) is at least partially filled with a dielectric (74).
Description
Die Erfindung betrifft einen Steckverbinder, insbesondere einen elektrischen Steckverbinder, mit einer kapazitiven Massenanbindung sowie eine Leiterplatte mit einem solchen Steckverbinder.The invention relates to a connector, in particular an electrical connector, with a capacitive ground connection and a printed circuit board with such a connector.
Stand der TechnikState of the art
Steckverbinder werden zum Trennen und Verbinden von elektrischen Leitungen eingesetzt. Bei einer Steckverbindung können Steckverbinder bzw. Verbindungsteile durch Formschluss der Steckerteile passend ausgerichtet und durch Federkraft kraftschlüssig lösbar fixiert werden.Connectors are used to connect and disconnect electrical cables. With a plug connection, connectors or connecting parts can be aligned correctly by means of a positive locking of the plug parts and can be fixed in place by spring force in a force-locking manner.
Insbesondere bei elektrischen Steckverbindungen wird unterschieden zwischen dem männlichen Teil der Steckverbindung, die über nach außen weisende Kontaktstifte verfügt, und dem weiblichen Teil der Steckverbindung, die nach innen weisende Kontaktöffnungen aufweist. Der männliche Teil wird als Stecker bezeichnet, wenn er sich an einem Kabelende befindet, oder als Einbaustecker, wenn er zum festen Einbau vorgesehen ist.In electrical connectors in particular, a distinction is made between the male part of the connector, which has contact pins pointing outwards, and the female part of the connector, which has contact openings pointing inwards. The male part is called a plug if it is located at one end of a cable, or a built-in plug if it is intended for permanent installation.
Elektrische Steckverbindungen in einem Bordnetz müssen eine zuverlässige Verbindung zwischen verschiedenen Systemkomponenten bereitstellen und damit die sichere Funktion der Systeme unter allen Einsatzbedingungen gewährleisten. Hierbei auftretende Belastungen sind:
- Schwingungsbeschleunigung, Temperaturschwankungen, hohe und tiefe Temperaturen, Feuchtebelastung usw.
- Vibration acceleration, temperature fluctuations, high and low temperatures, moisture loads, etc.
Daneben ist zu beachten, dass in einem Bordnetz bzw. einem Fahrzeugverbund unterschiedliche Steuergeräte aus unterschiedlichen Powerdomänen versorgt werden. Üblicherweise kommt es hierbei zu einem Masseversatz. Dies bedeutet, dass sich das Massepotential eines Steuergeräts A von einem Massepotential eines Steuergeräts B, das sich im Fahrzeug an einem anderen Ort befindet, unterscheidet. Ein solcher Masseversatz kann +-1V oder mehr betragen. Verbindet man das Steuergerät A mit dem Steuergerät B, bspw. über ein Ethernetkabel, dann fließen über den Masseschirm der Datenleitung, bedingt durch den Masseversatz, unerwünschte Ausgleichsströme.It should also be noted that in an on-board network or a vehicle network, different control units are supplied from different power domains. This usually results in a ground offset. This means that the ground potential of a control unit A differs from the ground potential of a control unit B that is located in a different location in the vehicle. Such a ground offset can be +-1V or more. If control unit A is connected to control unit B, e.g. via an Ethernet cable, then undesirable compensating currents flow through the ground shield of the data line due to the ground offset.
Eine besondere Aufmerksamkeit kommt dem Ausgleichstrom bei Verlust der Hauptmasse eines der Steuergeräte A oder B zu, da sich in diesem Fall das Steuergerät die gesamte Masse über den Schirm holen kann.Particular attention must be paid to the compensating current in the event of loss of the main mass of one of the control units A or B, since in this case the control unit can obtain the entire mass via the screen.
Bekannt ist ein Steckverbinder mit einem Schirm eines sogenannten Twisted-Pair Kabels, das direkt auf Massepins geführt wird. Dies bedeutet, dass der Masseschirm des Kabels mit einer Platine DC-gekoppelt ist.A connector is known with a shield of a so-called twisted pair cable that is led directly to ground pins. This means that the ground shield of the cable is DC-coupled to a circuit board.
Ebenfalls bekannt ist, den Schirm auf einer Platine durch Kondensatoren an die Masse anzubinden, um so einen DC-Ausgleichsstrom bei Verlust der Masse zu umgehen.It is also known to connect the shield on a circuit board to ground via capacitors in order to avoid a DC compensating current in the event of a loss of ground.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Steckverbinder mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Leiterplatte nach Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.Against this background, a connector with the features of claim 1 and a circuit board according to claim 9 are presented. Embodiments emerge from the dependent claims and from the description.
Der vorgestellte Steckverbinder verfügt über eine integrierte kapazitive Masseanbindung und weist einen Massekäfig und einen Masseanschluss für einen Schirm des Steckverbinders auf. Dabei ist ein Zwischenraum zwischen dem Massekäfig und dem Masseanschluss für den Schirm des Steckverbinders zumindest abschnittsweise, d. h. zumindest zum Teil, mit einem Dielektrikum gefüllt.The connector presented has an integrated capacitive ground connection and has a ground cage and a ground connection for a shield of the connector. A gap between the ground cage and the ground connection for the shield of the connector is at least partially filled with a dielectric.
Als Dielektrikum wird grundsätzlich eine schwach oder nicht leitende Substanz bezeichnet, in der die vorhandenen Ladungsträger nicht frei beweglich sind. Bei Kondensatoren werden insbesondere die Isolierstoffe zwischen den Kondensatorplatten als Dielektrikum bezeichnet.A dielectric is basically a weakly or non-conductive substance in which the charge carriers present cannot move freely. In capacitors, the insulating materials between the capacitor plates are referred to as dielectrics.
Es ist zu beachten, dass es bei der AC-Masseanbindung von Bedeutung ist, einen Kondensator auszubilden. Es geht weniger darum, einen exakten Kapazitätswert zu treffen. Daher können auch hochpermettive, nichtlineare Dielektrika, wie bspw. Barium- oder Strontiumtitanat, eingesetzt werden. Auf diese Art sollten durch Verfüllen des Hohlraums, je nach Dielektrizitätszahl des eingesetzten Dielektrikums, Kapazitäten im ein- und zweistelligen Nano-Faradbereich realisierbar sein.It should be noted that it is important to form a capacitor for the AC ground connection. It is less important to achieve an exact capacitance value. Therefore, highly permeable, non-linear dielectrics such as barium or strontium titanate can also be used. In this way, by filling the cavity, depending on the dielectric constant of the dielectric used, capacitances in the single and double-digit nanofarad range should be possible.
Der Steckverbinder kann bspw. als Stecker oder als Einbaustecker zum Anbringen auf einer Leiterplatte ausgebildet sein.The connector can be designed, for example, as a plug or as a built-in plug for attachment to a circuit board.
Weiterhin kann in dem Steckverbinder durch leitfähige Zusätze zu dem Dielektrikum ein Widerstand ausgebildet sein.Furthermore, a resistor can be formed in the connector by conductive additives to the dielectric.
Außerdem kann der Steckverbinder dazu ausgebildet sein, mehrere unterschiedliche Datensignale zu führen, wobei diese bzw. die diese führenden Signalleitungen voneinander durch Sektionen getrennt sind.In addition, the connector can be designed to carry several different data signals, wherein these or the signal lines carrying them are separated from each other by sections.
Die vorgestellte Steckverbindung, die mit einem hierin beschriebenenen Steckverbinder realisiert wird, verbessert zum einen die kapazitive Masseanbindung, indem die Anbindung niederinduktiver ausgestaltet wird. Zum anderen wird Layoutplatz auf der Platine frei, da die Kondensatoren als SMD-Bauteil entfallen. Dies führt zu einer Bauraumverkleinerung.The presented plug connection, which is realized with a connector described here, improves the capacitive mass sea connection by making the connection less inductive. On the other hand, layout space on the board is freed up because the capacitors are no longer used as SMD components. This leads to a reduction in installation space.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
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1 zeigt in einem Schaltdiagramm eine Realisierung einer kapazitiven Kopplung auf einer Platine als konzentrisches Bauteil gemäß dem Stand der Technik.1 shows in a circuit diagram a realization of a capacitive coupling on a circuit board as a concentric component according to the state of the art. -
2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung eine Ausführungsform des vorgestellten Steckverbinders.2 shows a cross-sectional view of an embodiment of the presented connector. -
3 zeigt eine Implementierung der vorgestellten Steckverbindung auf Schaltplanebene.3 shows an implementation of the presented connector at circuit diagram level.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically by means of embodiments in the drawings and is described in detail below with reference to the drawings.
Entsprechend dem Stand der Rechnik zeigt
Die Darstellung zeigt Anschlüsse A1 10, A2 12, B1 14, B2, 16, C1 18, C2 20, D1 22 und D2 24. Weiterhin zeigt die Darstellung einen ersten Schirmteil 30, einen zweiten Schirmteil 32, einen dritten Schirmteil 34 und einen vierten Schirmteil 36, die zusammen einen Schirm 38 bilden. Dieser Schirm 38 ist über eine Masseanbindung 40 an die Steckergerätehauptmasse 42 auf einer Leiterplatte 44 angeschlossen. Die Masseanbindung 40 umfasst einen ersten Kondensator C0 50 mit 1 NF, einen Kondensator C1 52 mit 1 nF, einen Kondensator C2 54 mit 1 nF und einen Kondensator C3 56 mit 1 n F sowie einen Widerstand R0 60 mit 100 kOhm.The illustration shows connections A1 10,
Wie bereits zuvor ausgeführt wurde, wird der Ausgleichstrom beim Verlust der Hauptmasse eines der Steuergeräte A oder B besonders beachtet, da sich in diesem Fall das Steuergerät die gesamte Masse über den Schirm holen kann. Um diese Ausgleichsströme zu unterbinden, wird die Steckermasse auf der Leiterplatte 44 des Steuergeräts über die Koppelkondensatoren C0 50 bis C3 56 an die Steuergerätehauptmasse 42 angeschlossen. Hierdurch wird ein Gleichstrom über den Schirm 38 unterbunden, Wechselströme können jedoch weiterhin passieren.As already mentioned, the equalizing current is particularly important when the main ground of one of the control units A or B is lost, since in this case the control unit can get the entire ground via the shield. To prevent these equalizing currents, the plug ground on the
Der optionale Widerstand R0 60 ist hochohmig und soll dem Schirm 38 ein Potential geben und u. A. eine elektrostatische Aufladung des Schirms 38 verhindern.The
Das Einsetzen von SMD-Kondensatoren zur AC-Masseanbindung auf der Steuergeräteplatine hat bzgl. der Hochfrequenzeigenschaften den Nachteil, dass die Anbindung bei höheren Frequenzen zunehmend induktiv wird. Dadurch wird die „harte Masseanbindung“ zunehmend „weich“ und geht im höheren Frequenzbereich ganz verloren. Das kann z. B. zu einer Abstrahlung führen. Dies kann aber, auch vom Gesichtspunkt der Signalintegrität betrachtet, einen schädlichen Einfluss auf die zu übertragenden Hochgeschwindigkeits- bzw. High-Speed Datensignale haben.The use of SMD capacitors for AC ground connection on the control unit board has the disadvantage in terms of high frequency properties that the connection becomes increasingly inductive at higher frequencies. As a result, the "hard ground connection" becomes increasingly "soft" and is completely lost in the higher frequency range. This can lead to radiation, for example. However, this can have a damaging effect on the high-speed or high-speed data signals to be transmitted, also from the point of view of signal integrity.
Die Darstellung zeigt einen Steckverbinder, der insgesamt mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet ist. Zu erkennen sind ein Massekäfig 72 des Steckverbinders 70, ein Dielektrikum 74 zur Ausbildung eines Kondensators, ein Anschluss 76 an die Masse des Steckverbinder 70 für die Leiterplatte, ein Anschluss 78 der Hochfrequenzleitungen auf der Leiterplatte, ein oder mehrere Hochfrequenz-Steckkontakte 80 und ein Masseanschluss 82 für den Schirm.The illustration shows a connector, which is designated overall with the
Der Steckerverbinder 70 ist so ausgebildet, dass der Zwischenraum zwischen dem Massekäfig 72 und dem Anschluss 76 des Masseschirmes mit dem Dielektrikum 74 verfüllt wird, wodurch sich der AC-Koppelkondensator bereits innerhalb des Steckerverbinders 70 ausbilden lässt. Damit entfallen die Kondensatoren auf der Leiterplatte. Der in dem Schaltplan der
Werden mehrere, unterschiedliche Datensignale, single ended oder differentiell, innerhalb eines Steckerverbinders gleichzeitig geführt, dann sind diese voneinander durch Sektionen zu trennen, damit die Schirmmassen nicht miteinander koppeln können. D. h. die Schirmmassen (Bezugsziffer 82) müssen zu unterschiedlichen HF-Leitungen voneinander immer durch jeweils eine Masse (Bezugsziffer 72) abgetrennt werden.If several different data signals, single ended or differential, are routed simultaneously within a connector, they must be separated from each other by sections so that the shielding grounds cannot couple with each other. This means that the shielding grounds (reference number 82) must be connected to different HF lines from one each other by a mass (reference number 72).
Eine derartige Realisierung ist niederinduktiver als die Realisierung als SMD Komponenten auf der Leiterplatte, da der Kondensor nicht erst durch Zuleitungen angeschlossen werden muss.Such an implementation is less inductive than the implementation as SMD components on the circuit board, since the capacitor does not have to be connected via supply lines.
Auf Schaltplanebene entfallen die Koppelkondensatoren und der Steckverbinder muss nur noch an Masse angeschlossen werden.At the circuit diagram level, the coupling capacitors are no longer required and the connector only needs to be connected to ground.
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