Elektrické rozvody v automobiloch
Zvýšené nároky na elektrické systémy, spôsobené prechodom na elektromobilitu, autonómne riadenie a infotainmentové systémy s rozlíšením 4K-HD, si v automobilovom priemysle vyžadujú nové E/E architektúry palubných elektrických sietí (palubná sieť). Klasická decentralizovaná palubná sieť-Architektur naráža na svoje limity kvôli svojej zložitosti a požadovaným vysokorýchlostným vlastnostiam. Spoločnosť ept ponúka pre tieto výzvy vhodné konektory typu konektor board-to-board.
Definícia pojmu „palubná sieť“: decentralizovaná architektúra s doménami a zónami
Klasická decentralizovaná architektúra v automobiloch pozostáva z až 100 riadiacich jednotiek (riadiaca jednotka), pričom každej riadiacej jednotke je priradená definovaná funkcia: riadenie motora, airbag, ABS / ESP, nastavenie sedadiel, klimatizácia, … Každá riadiaca jednotka pracuje autonómne a komunikuje s ostatnými riadiacimi jednotkami prostredníctvom brán (Gateways).
V priebehu uplynulých desaťročí prešla decentralizovaná architektúra historickým rastom, pričom každá nová funkcia bola doplnená o ďalšiu riadiacu jednotku (riadiaca jednotka). Dnes však naráža na svoje limity: rastúci počet funkcií výrazne zvyšuje nároky na inštaláciu a kabeláž vo vnútri vozidla.
V doménovej architektúre sú riadiace jednotky zoskupené do rôznych funkčných oblastí. Každá doména zodpovedá za určitú oblasť vozidla, ako je napríklad pohon, infotainment alebo bezpečnosť. Nadradené riadenie domény zabezpečuje samostatný vysokovýkonný počítač (HPC). Ten koordinuje riadiace jednotky v rámci svojej domény. V prípade funkčnej oblasti bezpečnosti by to boli napríklad riadiace jednotky pre systémy asistencie vodiča, ABS/ESP a systémy riadenia.
V porovnaní s decentralizovanou architektúrou sa vďaka menšiemu počtu zabudovaných riadiacich jednotiek znižujú náklady na kabeláž a inštaláciu. Doménová architektúra tak v porovnaní s decentralizovanou architektúrou môže efektívne prispieť aj k zníženiu nákladov a hmotnosti. Okrem toho je možné dodatočne integrovať ďalšie funkcie s minimálnym úsilím.
V prípade zónovej architektúry (zónová architektúra) sa štruktúrovanie neuskutočňuje na základe domén, ale podľa lokálnych zón. Napríklad v rámci jednej zóny v automobile sa zlučujú viaceré funkcie. V súlade s tým je možné zlučovať a spracovávať aj funkcie, ako je pohon a infotainment, v jednom zónovom regulátore (zónový kontrolér). Nadradené riadenie rôznych zónových regulátorov zabezpečuje centrálny HPC. Výhoda je zrejmá: zníženie počtu riadiacich jednotiek a ich kabeláže až o 50 percent.
V priebehu uplynulých desaťročí prešla decentralizovaná architektúra historickým rastom, pričom každá nová funkcia bola doplnená o ďalšiu riadiacu jednotku (riadiaca jednotka). Dnes však naráža na svoje limity: rastúci počet funkcií výrazne zvyšuje nároky na inštaláciu a kabeláž vo vnútri vozidla.
V doménovej architektúre sú riadiace jednotky zoskupené do rôznych funkčných oblastí. Každá doména zodpovedá za určitú oblasť vozidla, ako je napríklad pohon, infotainment alebo bezpečnosť. Nadradené riadenie domény zabezpečuje samostatný vysokovýkonný počítač (HPC). Ten koordinuje riadiace jednotky v rámci svojej domény. V prípade funkčnej oblasti bezpečnosti by to boli napríklad riadiace jednotky pre systémy asistencie vodiča, ABS/ESP a systémy riadenia.
V porovnaní s decentralizovanou architektúrou sa vďaka menšiemu počtu zabudovaných riadiacich jednotiek znižujú náklady na kabeláž a inštaláciu. Doménová architektúra tak v porovnaní s decentralizovanou architektúrou môže efektívne prispieť aj k zníženiu nákladov a hmotnosti. Okrem toho je možné dodatočne integrovať ďalšie funkcie s minimálnym úsilím.
V prípade zónovej architektúry (zónová architektúra) sa štruktúrovanie neuskutočňuje na základe domén, ale podľa lokálnych zón. Napríklad v rámci jednej zóny v automobile sa zlučujú viaceré funkcie. V súlade s tým je možné zlučovať a spracovávať aj funkcie, ako je pohon a infotainment, v jednom zónovom regulátore (zónový kontrolér). Nadradené riadenie rôznych zónových regulátorov zabezpečuje centrálny HPC. Výhoda je zrejmá: zníženie počtu riadiacich jednotiek a ich kabeláže až o 50 percent.
Požiadavky na HPC a jeho konektor
Požiadavky, ktoré z toho vyplývajú pre HPC, sú veľké: predovšetkým spracovanie obrazových údajov v oblasti infotainmentu alebo kamerových systémov pre autonómne riadenie vyžaduje bezpečný vysokorýchlostný prenos dát s krátkymi latenciami. Zároveň nesmie za žiadnych okolností dôjsť k výpadku prenosu signálu – jeho spoľahlivosť musí byť zaistená kedykoľvek.
Vysoký výkon, rýchly a predovšetkým spoľahlivý prenos dát – niekedy aj za nepriaznivých podmienok prostredia – sú teda požiadavkami, ktoré sa kladú aj na zabudované konektor.
„Čitateľnosť“ signálu možno znázorniť pomocou takzvaného diagramu oka. Ten udáva, či je možné prenášaný signál v prijímači jednoznačne priradiť k digitálnym stavom 1 alebo 0.
Na tento účel signál prechádza definovanou prenosovou trasou, pričom je zaznamenávaný osciloskopom, superponovaný a zobrazený. Takto je možné znázorniť všetky možné priebehy signálu „jeden nad druhým“. V teorii sú prechody logických stavov nekonečne strmé a signálne krivky prebiehajú presne jedna nad druhou. V dôsledku vonkajších rušivých faktorov a vnútorného ovplyvnenia signálnych párov sa nárast signálu spomaľuje a mení sa výška amplitúdy. Vzniká tak tvar oka, po ktorom je diagram pomenovaný.
Vysoký výkon, rýchly a predovšetkým spoľahlivý prenos dát – niekedy aj za nepriaznivých podmienok prostredia – sú teda požiadavkami, ktoré sa kladú aj na zabudované konektor.
„Čitateľnosť“ signálu možno znázorniť pomocou takzvaného diagramu oka. Ten udáva, či je možné prenášaný signál v prijímači jednoznačne priradiť k digitálnym stavom 1 alebo 0.
Na tento účel signál prechádza definovanou prenosovou trasou, pričom je zaznamenávaný osciloskopom, superponovaný a zobrazený. Takto je možné znázorniť všetky možné priebehy signálu „jeden nad druhým“. V teorii sú prechody logických stavov nekonečne strmé a signálne krivky prebiehajú presne jedna nad druhou. V dôsledku vonkajších rušivých faktorov a vnútorného ovplyvnenia signálnych párov sa nárast signálu spomaľuje a mení sa výška amplitúdy. Vzniká tak tvar oka, po ktorom je diagram pomenovaný.
V strede diagramu je vidieť takzvanú „Eye Mask“. V tejto oblasti nie je možné jednoznačne priradiť signál.
Oba diagramy oka znázorňujú vplyv dĺžky vedenia a impedancie na príklade konektorov ept Colibri-konektor v prevedeniach 16 + Gbit/s a 10 Gbit/s. Príklad ilustruje, ako sa vďaka zdokonaleniu konštrukcie kontaktov podarilo dosiahnuť výrazné zvýšenie integrita signálu (pozri obr. XX). Vďaka kratšej dĺžke vedenia a impedancii 100 Ω sa oko variantu Colibri s rýchlosťou 16+ Gbit/s môže vytvoriť jasnejšie ako u predchádzajúceho variantu Colibri s rýchlosťou 10 Gbit/s – páry signálov sa dajú jednoznačne interpretovať.
Oba diagramy oka znázorňujú vplyv dĺžky vedenia a impedancie na príklade konektorov ept Colibri-konektor v prevedeniach 16 + Gbit/s a 10 Gbit/s. Príklad ilustruje, ako sa vďaka zdokonaleniu konštrukcie kontaktov podarilo dosiahnuť výrazné zvýšenie integrita signálu (pozri obr. XX). Vďaka kratšej dĺžke vedenia a impedancii 100 Ω sa oko variantu Colibri s rýchlosťou 16+ Gbit/s môže vytvoriť jasnejšie ako u predchádzajúceho variantu Colibri s rýchlosťou 10 Gbit/s – páry signálov sa dajú jednoznačne interpretovať.
Keďže vysokorýchlostné signály sú obzvlášť citlivé na elektromagnetické vplyvy, vyžadujú si špeciálnu ochranu signálu. Konektor (konektor) môže v tomto prípade pôsobiť ako zdroj rušenia, ale aj ako jeho pohlcovač. Z tohto dôvodu sa odporúča ochrana signálu pomocou stíniaceho plechu (tieniaci plech), aby boli citlivé signály chránené pred vonkajšími vplyvmi.
Z obrázku 4 vyplýva, že už aj malý elektrický impulz môže skresliť užitočný signál. Prijímač už nedokáže jednoznačne interpretovať digitálne stavy signálu HDMI ani po krátkom impulze s napätím 0,5 kV, zatiaľ čo prenos signálu cez tienený konektor prebieha stabilne aj pri napätí 4,4 kV.
Z obrázku 4 vyplýva, že už aj malý elektrický impulz môže skresliť užitočný signál. Prijímač už nedokáže jednoznačne interpretovať digitálne stavy signálu HDMI ani po krátkom impulze s napätím 0,5 kV, zatiaľ čo prenos signálu cez tienený konektor prebieha stabilne aj pri napätí 4,4 kV.
Pomocou väzobnej indukčnosti (vzájomná indukčnosť) LK ako parametra EMC je možné konektor opísať na základe posúdenia elektrických pomerov v oboch funkciách – ako zdroja aj ako prijímača. Na tento účel sa používa jednotka Henry. To platí tak pre odolnosť voči rušeniu (odolnosť), ako aj pre vyžarovanie rušenia (elektromagnetická emisia). Ak sú známe indukované napätie (Uind), napätie generátora (UGen) a konštanta generátora (kGen), je možné pre danú aplikáciu určiť príslušnú maximálne prípustnú väzobnú indukčnosť (vzájomná indukčnosť) (L) pomocou nasledujúceho vzorca:
LK = Uind / (UGen * kGen)
vzájomná indukčnosť pomôže používateľovi navyše určiť vhodný konektor z hľadiska elektromagnetickej kompatibility a vyhnúť sa nákladným a časovo náročným testom metódou pokusov a omylov v EMC-Laboru. Uvedieme príklad: Pre signál HDMI bola pri napätí 4,4 kV stanovená maximálna vzájomná indukčnosť, špecifická pre daný prípad, vo výške 47 picohenry (pH). Ak je táto hodnota vyššia, signál sa už nemôže prenášať bez rušenia.
LK = Uind / (UGen * kGen)
vzájomná indukčnosť pomôže používateľovi navyše určiť vhodný konektor z hľadiska elektromagnetickej kompatibility a vyhnúť sa nákladným a časovo náročným testom metódou pokusov a omylov v EMC-Laboru. Uvedieme príklad: Pre signál HDMI bola pri napätí 4,4 kV stanovená maximálna vzájomná indukčnosť, špecifická pre daný prípad, vo výške 47 picohenry (pH). Ak je táto hodnota vyššia, signál sa už nemôže prenášať bez rušenia.
Prenos vysokorýchlostných signálov však neohrozujú len elektromagnetické vplyvy. Najmä v automobilovom priemysle sú konektory opakovane vystavené extrémnym podmienkam prostredia, ako sú vibrácie a nárazy. Aby prenos signálu prebiehal bez prerušenia aj v náročných podmienkach, musí byť konektor mimoriadne odolný. Rozhodujúcu úlohu tu zohrávajú predovšetkým konštrukcia kontaktov, kontaktný systém a technika pripojenia.
Faktor vplyvu: kontaktný systém
Klasické dvojdielne konektory (konektor) disponujú nožovým a pružinovým kontaktom (zdierkový kontakt). V prípade silného nárazu sa však nožová lišta (kolíkový konektor) môže odtrhnúť od pružinovej lišty (zásuvkový konektor). Aby nedošlo k takémuto prerušeniu kontaktu (prerušenie kontaktu), je možné pomocou obojstrannej pružinovej lišty (zásuvkový konektor) zabezpečiť redundanciu a tým aj spoľahlivosť kontaktu, pretože vďaka druhej pružine je prenos signálu kedykoľvek zabezpečený aspoň cez jeden kontaktný bod (obr. 5).
Ešte odolnejšie sú naopak konektory (konektor) s takzvaným „hermafroditným“ kontaktným systémom. Ich zvláštnosťou je identická geometria kontaktov párov konektorov, Plug a Socket. Oba majú teda k dispozícii aj pružinu, aj kontaktný hrot. Každý pin je tak v kontakte s dvoma pružinami, pričom Plug a Socket sú navzájom prepletené a nemôžu sa od seba odpojiť. Zatiaľ čo obojstranná lišta s pružinami (zásuvkový konektor) pri mechanickom zaťažení vždy zabezpečuje aspoň jeden kontaktný bod, prepletené geometrie v rodovo neutrálnych kontaktných systémoch zaručujú, že prenos signálu prebieha vždy cez dva kontaktné body. Táto vysoká redundancia tak umožňuje maximálnu spoľahlivosť kontaktu (obr. 5).
Ako technika pripojenia (technika pripojenia) pre trvalé spojenie medzi doskou s plošnými spojmi a konektorom sa odporúča technológia povrchovej montáže (SMT). Pomocou spájkovacej pasty (spájkovacia pasta) sa konektory pripájajú spájkovaním na definované plôšky dosky s plošnými spojmi, tzv. spájkovacie plôšky (spájkovacie podložky, tzv. Lötpads). Až v takzvanom reflowovom peci (pretavovacia pec) sa spájka roztaví a následne vytvrdí. SMT umožňuje vytvárať stabilné spojenia medzi konektorom a doskou s plošnými spojmi. Na to však musia byť splnené niektoré kritériá: V prvom rade je potrebné dodržať správny pomer medzi SMT vývod, spájkovacia plôška a spájkovacia pasta, aby bolo spájkovaný spoj v súlade s normou IPC-A-610. Iba tak sa vytvorí kvalitné spojenie, ktoré umožňuje pripojenie podľa triedy IPC 3, a je teda vhodné na použitie vo vysokovýkonnej elektronike. V tejto triede musia byť výpadky v prenose signálu kedykoľvek vylúčené. Optimálne spájkované spojenie (spájkovaný spoj) možno rozpoznať podľa rovnomerného vytvorenia menisku. Kontakt musí byť po celom obvode obklopený meniskom spájky, aby sa dosiahli najlepšie prídržné sily na doske s plošnými spojmi. (Obr. 9).
Koplanarita kontaktných pätiek je predpokladom pre vynikajúce spojenie, ktoré sa počas procesu podrobuje 100 % automatizovanej kontrole.
Záver
Súčasný vývoj v automobilovom priemysle kladie na zabudované konektor stále nové požiadavky. Na prvý pohľad sa zdá, že úloha zabudovaných konektorov ustupuje do pozadia v dôsledku zníženého počtu riadiacich jednotiek. Pri bližšom pohľade sa však ukazuje, že práve vďaka tejto zmene smerom k centrálnemu spracovaniu dát prostredníctvom HPC ich úloha naberá na význame: spoľahlivosť pri prenose signálu nebola nikdy taká dôležitá ako dnes.