Rețele electrice de bord pentru automobile
Creșterea cerințelor electrice, determinată de tranziția către mobilitatea electrică, conducerea autonomă și sistemele de infotainment cu rezoluție 4K-HD, necesită noi arhitecturi E/E în industria auto. Arhitectura clasică descentralizată a rețelei de bord (rețea electrică de bord) își atinge limitele din cauza complexității sale și a caracteristicilor de viteză ridicată cerute. ept oferă conectori conector placă-placă adecvați pentru aceste provocări.
Definiția „rețea electrică de bord”: arhitectură descentralizată, pe domenii și zone
Arhitectura clasică descentralizată din industria auto constă din până la 100 de unități de control electronic (unitate de control electronic), fiecăreia fiindu-i atribuită o funcție definită: controlul motorului, airbagul, ABS / ESP, reglarea scaunelor, climatizarea, … Fiecare unitate de control electronic funcționează autonom și comunică cu alte unități de control electronic prin intermediul unor gateway-uri.
De-a lungul ultimelor decenii, arhitectura descentralizată a cunoscut o creștere istorică, fiecare funcționalitate nouă fiind completată cu un alt unitate de control electronic. Astăzi, însă, aceasta își atinge limitele: funcționalitățile tot mai numeroase sporesc semnificativ efortul de instalare și cablare în interiorul vehiculului.
În arhitectura pe domenii, unitățile de control electronic sunt grupate în diferite domenii funcționale. Fiecare domeniu este responsabil pentru o anumită zonă a vehiculului, cum ar fi, de exemplu, propulsia, infotainmentul sau siguranța. Controlul de nivel superior al unui domeniu este asigurat de un computer independent de înaltă performanță (HPC). Acesta coordonează unitățile de control electronic din cadrul domeniului său. Pentru domeniul funcțional al siguranței, ar fi vorba, de exemplu, de unități de control electronic pentru sistemele de asistență la conducere, ABS/ESP și sistemele de direcție.
În comparație cu arhitectura descentralizată, numărul mai mic de unități de control electronic instalate reduce efortul necesar pentru cablare și instalare. Astfel, arhitectura pe domenii poate contribui în mod eficient la reducerea costurilor și a greutății, comparativ cu arhitectura descentralizată. În plus, funcțiile suplimentare pot fi integrate ulterior cu un efort redus.
În cazul arhitecturii pe arhitectură zonală, structurarea nu se realizează pe baza domeniilor, ci pe zone locale. Astfel, de exemplu, în cadrul unei zone din automobil sunt grupate mai multe funcționalități. Prin urmare, funcții precum propulsia și sistemul de infotainment pot fi, de asemenea, grupate și procesate într-un singur controler de zonă (controler de zonă). Controlul de nivel superior al diferitelor unități de control electronic este asigurat de un HPC central. Avantajul este evident: o reducere a numărului de unități de control electronic, precum și a cablajului acestora, cu până la 50 la sută.
De-a lungul ultimelor decenii, arhitectura descentralizată a cunoscut o creștere istorică, fiecare funcționalitate nouă fiind completată cu un alt unitate de control electronic. Astăzi, însă, aceasta își atinge limitele: funcționalitățile tot mai numeroase sporesc semnificativ efortul de instalare și cablare în interiorul vehiculului.
În arhitectura pe domenii, unitățile de control electronic sunt grupate în diferite domenii funcționale. Fiecare domeniu este responsabil pentru o anumită zonă a vehiculului, cum ar fi, de exemplu, propulsia, infotainmentul sau siguranța. Controlul de nivel superior al unui domeniu este asigurat de un computer independent de înaltă performanță (HPC). Acesta coordonează unitățile de control electronic din cadrul domeniului său. Pentru domeniul funcțional al siguranței, ar fi vorba, de exemplu, de unități de control electronic pentru sistemele de asistență la conducere, ABS/ESP și sistemele de direcție.
În comparație cu arhitectura descentralizată, numărul mai mic de unități de control electronic instalate reduce efortul necesar pentru cablare și instalare. Astfel, arhitectura pe domenii poate contribui în mod eficient la reducerea costurilor și a greutății, comparativ cu arhitectura descentralizată. În plus, funcțiile suplimentare pot fi integrate ulterior cu un efort redus.
În cazul arhitecturii pe arhitectură zonală, structurarea nu se realizează pe baza domeniilor, ci pe zone locale. Astfel, de exemplu, în cadrul unei zone din automobil sunt grupate mai multe funcționalități. Prin urmare, funcții precum propulsia și sistemul de infotainment pot fi, de asemenea, grupate și procesate într-un singur controler de zonă (controler de zonă). Controlul de nivel superior al diferitelor unități de control electronic este asigurat de un HPC central. Avantajul este evident: o reducere a numărului de unități de control electronic, precum și a cablajului acestora, cu până la 50 la sută.
Cerințe privind HPC și conector-urile sale
Cerințele care decurg din aceasta pentru un HPC sunt mari: nu în ultimul rând, procesarea datelor de imagistică în domeniul infotainmentului sau a sistemelor de camere pentru conducerea autonomă necesită o transmisie sigură a datelor de mare viteză cu timpi de latență scurți. În același timp, sub nicio formă nu trebuie să se producă o întrerupere a transmisiei semnalului – fiabilitatea acesteia trebuie asigurată în orice moment.
Performanța ridicată, transmisia rapidă și, mai ales, fiabilă a datelor – uneori în condiții de mediu nefavorabile – sunt, așadar, cerințe care se aplică și conectorilor (conector) integrați.
„Lizibilitatea” unui semnal poate fi ilustrată cu ajutorul așa-numitei diagrame ochi. Aceasta indică dacă un semnal transmis poate fi atribuit în mod univoc stărilor digitale 1 sau 0 în receptor.
În acest scop, un semnal parcurge o distanță de transmisie definită, fiind înregistrat, suprapus și afișat de un osciloscop. Astfel, toate curburile posibile ale semnalului pot fi reprezentate „una peste alta”. În teorie, tranzițiile dintre stările logice sunt infinit de abrupte, iar liniile de semnal se suprapun exact una peste alta. Din cauza factorilor de perturbare externi și a afectării interne a perechilor de semnale, creșterea semnalului se aplatizează, iar amplitudinea se modifică. Se formează astfel forma unui ochi, de unde provine și denumirea.
Performanța ridicată, transmisia rapidă și, mai ales, fiabilă a datelor – uneori în condiții de mediu nefavorabile – sunt, așadar, cerințe care se aplică și conectorilor (conector) integrați.
„Lizibilitatea” unui semnal poate fi ilustrată cu ajutorul așa-numitei diagrame ochi. Aceasta indică dacă un semnal transmis poate fi atribuit în mod univoc stărilor digitale 1 sau 0 în receptor.
În acest scop, un semnal parcurge o distanță de transmisie definită, fiind înregistrat, suprapus și afișat de un osciloscop. Astfel, toate curburile posibile ale semnalului pot fi reprezentate „una peste alta”. În teorie, tranzițiile dintre stările logice sunt infinit de abrupte, iar liniile de semnal se suprapun exact una peste alta. Din cauza factorilor de perturbare externi și a afectării interne a perechilor de semnale, creșterea semnalului se aplatizează, iar amplitudinea se modifică. Se formează astfel forma unui ochi, de unde provine și denumirea.
În centrul diagramei se poate observa așa-numita „Eye Mask”. În această zonă nu este posibilă o identificare clară a semnalului.
Cele două diagrame „ochi” ilustrează influența lungimii cablului și a impedanței pe exemplul conectorilor ept Colibri în versiunile de 16 + Gbit/s și 10 Gbit/s. Exemplul arată cum, prin perfecționarea designului contactelor, s-a putut obține o creștere semnificativă a integritatea semnalului (vezi fig. XX). Datorită unei lungimi mai scurte a cablului și a unei impedanțe de 100 Ω, ochiul variantei Colibri de 16+ Gbit/s se conturează mai clar decât în cazul variantei anterioare a conectorului Colibri de 10 Gbit/s – perechile de semnale pot fi interpretate fără ambiguitate.
Cele două diagrame „ochi” ilustrează influența lungimii cablului și a impedanței pe exemplul conectorilor ept Colibri în versiunile de 16 + Gbit/s și 10 Gbit/s. Exemplul arată cum, prin perfecționarea designului contactelor, s-a putut obține o creștere semnificativă a integritatea semnalului (vezi fig. XX). Datorită unei lungimi mai scurte a cablului și a unei impedanțe de 100 Ω, ochiul variantei Colibri de 16+ Gbit/s se conturează mai clar decât în cazul variantei anterioare a conectorului Colibri de 10 Gbit/s – perechile de semnale pot fi interpretate fără ambiguitate.
Deoarece semnalele de mare viteză sunt deosebit de sensibile la influențele electromagnetice, acestea necesită o protecție specială a semnalului. Un conector (conector) poate acționa atât ca sursă de perturbații, cât și ca receptor al acestora. Din acest motiv, se recomandă protecția semnalului cu ajutorul unei plăci de ecranare (placă de ecranare), pentru a proteja semnalele sensibile de influențele externe.
Faptul că chiar și un impuls electric mic poate denatura semnalul util reiese din figura 4. Receptorul nu mai poate interpreta în mod clar stările digitale ale semnalului HDMI chiar și după un impuls scurt de 0,5 kV, în timp ce transmisia semnalului prin conectorul ecranat rămâne stabilă chiar și la 4,4 kV.
Faptul că chiar și un impuls electric mic poate denatura semnalul util reiese din figura 4. Receptorul nu mai poate interpreta în mod clar stările digitale ale semnalului HDMI chiar și după un impuls scurt de 0,5 kV, în timp ce transmisia semnalului prin conectorul ecranat rămâne stabilă chiar și la 4,4 kV.
Cu ajutorul inductivității de cuplare (inductanță mutuală) LK ca parametru CEM, conectorul poate fi descris prin analiza condițiilor electrice în ambele funcții – sursă și receptor. În acest scop se utilizează unitatea Henry. Acest lucru se aplică atât pentru rezistența la imunitate, cât și pentru emisiile de emisie electromagnetică. Dacă tensiunea indusă (Uind), tensiunea generatorului (UGen) și constanta generatorului (kGen) sunt cunoscute, inductanță mutuală de cuplare (L) maximă admisibilă specifică pentru o anumită aplicație poate fi determinată folosind următoarea formulă:
LK = Uind / (UGen * kGen)
De asemenea, inductanță mutuală-ul ajută utilizatorul să definească conectorul adecvat din punct de vedere al compatibilității electromagnetice și să evite testele de tip „încercare și eroare” costisitoare și consumatoare de timp din CEM-Labor. Iată un exemplu: pentru un semnal HDMI, la o tensiune de 4,4 kV, s-a determinat o inductanță mutuală maximă specifică cazului de 47 picohenry (pH). Dacă valoarea depășește acest prag, semnalul nu mai poate fi transmis fără interferențe.
LK = Uind / (UGen * kGen)
De asemenea, inductanță mutuală-ul ajută utilizatorul să definească conectorul adecvat din punct de vedere al compatibilității electromagnetice și să evite testele de tip „încercare și eroare” costisitoare și consumatoare de timp din CEM-Labor. Iată un exemplu: pentru un semnal HDMI, la o tensiune de 4,4 kV, s-a determinat o inductanță mutuală maximă specifică cazului de 47 picohenry (pH). Dacă valoarea depășește acest prag, semnalul nu mai poate fi transmis fără interferențe.
Însă nu doar influențele electromagnetice pun în pericol transmisia semnalelor de mare viteză. În special în aplicațiile din industria auto, conectorii (conector) sunt expuși în mod repetat la condiții de mediu extreme, precum vibrațiile și șocurile. Pentru ca transmisia semnalului să se desfășoare fără întreruperi chiar și în medii dure, conectorul trebuie să fie deosebit de robust. În acest context, designul contactelor, sistemul de contacte și tehnica de conectare (tehnică de conectare) joacă un rol decisiv.
Factorul de influență: sistemul de contact
conector clasici din două părți dispun de un contact de tip „Messer” și unul de tip „contact mamă”. În cazul unor șocuri puternice, însă, conector tată-ul de tip „Messer” se poate desprinde de conector mamă-ul de tip „Feder”. Pentru a preveni o astfel de microîntrerupere, se poate asigura redundanța și, prin urmare, siguranța contactului cu ajutorul unui conector mamă de tip „Feder” cu două rânduri, deoarece, datorită celui de-al doilea contact de tip „Feder”, transmisia semnalului este asigurată în orice moment cel puțin printr-un punct de contact (Fig. 5).
În schimb, conectorii (conector) cu așa-numitul sistem de contacte hermafrodit sunt și mai rezistenți. Particularitatea constă în geometriile identice ale contactelor perechilor de conectori, Plug și Socket. Ambele dispun, prin urmare, atât de un arc, cât și de un contact în formă de lamă. Astfel, fiecare pin este contactat de două arcuri, Plug și Socket fiind interconectate și neputându-se desprinde una de cealaltă. În timp ce o bandă de contacte cu două fețe (conector mamă) asigură întotdeauna cel puțin un punct de contact sub sarcină mecanică, geometriile întrețesute din sistemele de contact neutre din punct de vedere al genului garantează că transmisia semnalului se realizează întotdeauna prin două puncte de contact. Această redundanță ridicată permite astfel o siguranță maximă a contactului (Fig. 5).
Ca tehnică de conectare (tehnică de conectare) pentru o legătură durabilă între placa de circuit imprimat și conector, se recomandă tehnologia de montare pe suprafață (SMT). Cu ajutorul pastei de lipit (pastă de lipit), conectorii sunt lipiți pe padurile de lipire definite ale plăcii de circuit imprimat, numite paduri de lipire (Lötpads). Abia într-un așa-numit cuptor de reflow (cuptor reflow) aliajul de lipit este topit și apoi întărit. Prin SMT se pot realiza conexiuni stabile între conector și placa de circuit imprimat. Pentru aceasta, însă, trebuie îndeplinite câteva criterii: în primul rând, pentru un punct de îmbinare prin lipire conform standardului IPC-A-610, trebuie respectat raportul corect dintre terminal SMT, pad de lipire și pastă de lipit. Numai astfel se realizează o conexiune de înaltă calitate, care permite o conexiune conform clasei IPC 3, fiind astfel adecvată pentru utilizarea în electronica de înaltă performanță. În această clasă, trebuie excluse în orice moment defecțiunile în transmisia semnalului. O „conexiune lipită” optimă se recunoaște după formarea uniformă a meniscului. Contactul trebuie să fie înconjurat pe toată circumferința de meniscul de lipire, pentru a obține cele mai bune forțe de reținere pe placa de circuit imprimat. (Fig. 9).
Coplanaritatea picioarelor de contact este o condiție esențială pentru o conexiune de calitate superioară, aceasta fiind supusă unei inspecții 100% automatizate pe parcursul procesului.
Concluzie
Evoluțiile actuale din industria auto impun cerințe tot mai noi asupra conector-urilor integrate. La prima vedere, rolul conectorilor integrați pare să treacă în plan secund din cauza numărului redus de unități de control electronic. La o analiză mai atentă, se observă însă că rolul acestora capătă o importanță sporită tocmai datorită acestei transformări către o procesare centralizată a datelor prin intermediul HPC: fiabilitatea în transmisia semnalelor nu a fost niciodată atât de importantă ca astăzi.