Avtomobilska električna omrežja
Večje električne zahteve, ki jih povzroča prehod na e-mobilnost, avtonomno vožnjo in infotainment sisteme z ločljivostjo 4K-HD, zahtevajo nove E/E arhitekture v avtomobilski industriji. Klasična decentralizirana električni sistem vozila-Architektur zaradi svoje kompleksnosti in zahtevanih visokohitrostnih lastnosti dosega svoje meje. ept ponuja ustrezne vtičnike tipa »konektor board-to-board« za te izzive.
Opredelitev »električni sistem vozila«: decentralizirana arhitektura z domenami in conami
Klasična decentralizirana arhitektura v avtomobilu obsega do 100 krmilnih enot (krmilna enota), pri čemer je vsaki krmilni enoti dodeljena določena funkcija: krmiljenje motorja, zračna blazina, ABS/ESP, nastavitev sedeža, klimatizacija, … Vsaka krmilna enota deluje samostojno in komunicira z drugimi krmilnimi enotami prek vrat (Gateways).
V zadnjih desetletjih je decentralizirana arhitektura doživela zgodovinsko rast, vsaka nova funkcionalnost pa je bila dopolnjena z dodatnim krmilnim krmilna enota. Danes pa se ta arhitektura sooča z omejitvami: naraščajoče funkcionalnosti znatno povečujejo obseg namestitve in ožičenja znotraj vozila.
Pri domenski arhitekturi so krmilne enote združene v različne funkcionalne domene. Vsaka domena je odgovorna za določeno področje vozila, kot so na primer pogon, infozabava ali varnost. Nadrejeno krmiljenje domene izvaja samostojen visokozmogljivi računalnik (HPC). Ta usklajuje krmilne enote znotraj svoje domene. Za funkcionalno področje varnosti bi to na primer bile krmilne enote za sisteme pomoči vozniku, ABS/ESP in krmilne sisteme.
V primerjavi z decentralizirano arhitekturo se zaradi manjšega števila vgrajenih krmilnih enot zmanjša obseg ožičenja in namestitve. Domenska arhitektura lahko tako v primerjavi z decentralizirano arhitekturo učinkovito prispeva tudi k zmanjšanju stroškov in teže. Poleg tega je mogoče dodatne funkcije naknadno integrirati z majhnim naporom.
Pri conska arhitektura strukturiranje ne poteka na podlagi domen, temveč po lokalnih conah. Tako so na primer znotraj ene cone v avtomobilu združene več funkcionalnosti. V skladu s tem je mogoče tudi funkcije, kot sta pogon in infotainment, združiti in obdelovati v enem conski krmilnik. Nadrejeno krmiljenje različnih conski krmilnik poteka prek centralnega HPC-ja. Prednost je očitna: zmanjšanje števila krmilnih enot ter njihovega ožičenja za do 50 odstotkov.
V zadnjih desetletjih je decentralizirana arhitektura doživela zgodovinsko rast, vsaka nova funkcionalnost pa je bila dopolnjena z dodatnim krmilnim krmilna enota. Danes pa se ta arhitektura sooča z omejitvami: naraščajoče funkcionalnosti znatno povečujejo obseg namestitve in ožičenja znotraj vozila.
Pri domenski arhitekturi so krmilne enote združene v različne funkcionalne domene. Vsaka domena je odgovorna za določeno področje vozila, kot so na primer pogon, infozabava ali varnost. Nadrejeno krmiljenje domene izvaja samostojen visokozmogljivi računalnik (HPC). Ta usklajuje krmilne enote znotraj svoje domene. Za funkcionalno področje varnosti bi to na primer bile krmilne enote za sisteme pomoči vozniku, ABS/ESP in krmilne sisteme.
V primerjavi z decentralizirano arhitekturo se zaradi manjšega števila vgrajenih krmilnih enot zmanjša obseg ožičenja in namestitve. Domenska arhitektura lahko tako v primerjavi z decentralizirano arhitekturo učinkovito prispeva tudi k zmanjšanju stroškov in teže. Poleg tega je mogoče dodatne funkcije naknadno integrirati z majhnim naporom.
Pri conska arhitektura strukturiranje ne poteka na podlagi domen, temveč po lokalnih conah. Tako so na primer znotraj ene cone v avtomobilu združene več funkcionalnosti. V skladu s tem je mogoče tudi funkcije, kot sta pogon in infotainment, združiti in obdelovati v enem conski krmilnik. Nadrejeno krmiljenje različnih conski krmilnik poteka prek centralnega HPC-ja. Prednost je očitna: zmanjšanje števila krmilnih enot ter njihovega ožičenja za do 50 odstotkov.
Zahteve za HPC in njegove konektor
Zahteve, ki iz tega izhajajo za HPC, so velike: predvsem obdelava slikovnih podatkov na področju infotainmenta ali kamernih sistemov za avtonomno vožnjo zahteva varen visokohitrostni prenos podatkov s kratkimi zakasnitvami. Hkrati pod nobenim pogojem ne sme priti do izpada prenosa signala – njegova zanesljivost mora biti zagotovljena v vsakem trenutku.
Visoka zmogljivost, hiter in predvsem zanesljiv prenos podatkov – včasih tudi v neugodnih okoljskih pogojih – so torej zahteve, ki veljajo tudi za vgrajene konektor.
»Berljivost« signala je mogoče ponazoriti s pomočjo tako imenovanega očesnega diagrama. Ta kaže, ali je mogoče prenesen signal v sprejemniku nedvoumno dodeliti digitalnima stanjema 1 ali 0.
V ta namen signal preide skozi določeno prenosno pot, pri čemer ga osciloskop zajame, prekriva in prikaže. Tako je mogoče vse možne poteke signalov prikazati »eden nad drugim«. V teoriji so prehodi med logičnimi stanji neskončno strmi, signalne črte pa potekajo natančno ena nad drugo. Zaradi zunanjih motilnih dejavnikov in notranjih motenj v signalnih parih se vzpon signala izravna, višina amplitude pa se spremeni. Tako nastane oblika očesa, po kateri je diagram dobil ime.
Visoka zmogljivost, hiter in predvsem zanesljiv prenos podatkov – včasih tudi v neugodnih okoljskih pogojih – so torej zahteve, ki veljajo tudi za vgrajene konektor.
»Berljivost« signala je mogoče ponazoriti s pomočjo tako imenovanega očesnega diagrama. Ta kaže, ali je mogoče prenesen signal v sprejemniku nedvoumno dodeliti digitalnima stanjema 1 ali 0.
V ta namen signal preide skozi določeno prenosno pot, pri čemer ga osciloskop zajame, prekriva in prikaže. Tako je mogoče vse možne poteke signalov prikazati »eden nad drugim«. V teoriji so prehodi med logičnimi stanji neskončno strmi, signalne črte pa potekajo natančno ena nad drugo. Zaradi zunanjih motilnih dejavnikov in notranjih motenj v signalnih parih se vzpon signala izravna, višina amplitude pa se spremeni. Tako nastane oblika očesa, po kateri je diagram dobil ime.
V sredini diagrama je mogoče prepoznati tako imenovano »Eye Mask«. V tem območju ni mogoče nedvoumno določiti signala.
Oba očesni diagrami prikazujeta vpliv dolžine vodnika in impedanse na primeru Colibri-konektor v izvedbah 16 + Gbit/s in 10 Gbit/s. Primer ponazarja, kako je bilo z nadaljnjim razvojem zasnove kontaktov mogoče doseči znatno povečanje celovitost signala (glej sliko XX). Zaradi krajše dolžine vodnika in impedanco 100 Ω se oko različice Colibri s hitrostjo 16+ Gbit/s oblikuje jasneje kot pri predhodni različici Colibri s hitrostjo 10 Gbit/s – signalne pare je mogoče nedvoumno razlagati.
Oba očesni diagrami prikazujeta vpliv dolžine vodnika in impedanse na primeru Colibri-konektor v izvedbah 16 + Gbit/s in 10 Gbit/s. Primer ponazarja, kako je bilo z nadaljnjim razvojem zasnove kontaktov mogoče doseči znatno povečanje celovitost signala (glej sliko XX). Zaradi krajše dolžine vodnika in impedanco 100 Ω se oko različice Colibri s hitrostjo 16+ Gbit/s oblikuje jasneje kot pri predhodni različici Colibri s hitrostjo 10 Gbit/s – signalne pare je mogoče nedvoumno razlagati.
Ker so visokohitrostni signali še posebej občutljivi na elektromagnetne vplive, potrebujejo posebno zaščito signala. Priključek (konektor) lahko pri tem deluje tako kot vir motenj kot tudi kot odvodnik. Zaradi tega se priporoča zaščita signala s pomočjo oklopne pločevine (oklopna plošča), da se občutljivi signali zaščitijo pred zunanjimi vplivi.
Da že majhen električni impulz lahko izkrivi uporabni signal, je razvidno iz slike 4. Sprejemnik že po kratkem impulzu 0,5 kV ne more več nedvoumno razlagati digitalnih stanj signala HDMI, medtem ko prenos signala prek oklopljenega konektorja ostaja stabilen tudi pri 4,4 kV.
Da že majhen električni impulz lahko izkrivi uporabni signal, je razvidno iz slike 4. Sprejemnik že po kratkem impulzu 0,5 kV ne more več nedvoumno razlagati digitalnih stanj signala HDMI, medtem ko prenos signala prek oklopljenega konektorja ostaja stabilen tudi pri 4,4 kV.
Z induktivnostjo sklopke (medsebojna induktivnost) LK kot parametrom EMC je mogoče konektor opisati z upoštevanjem električnih razmerij v obeh funkcijah – viru in odjemniku. Za to se uporablja enota henry. To velja tako za odpornost proti motnjam (odpornost) kot tudi za oddajanje motenj (elektromagnetna emisija). Če so znane indukcijska napetost (Uind), napetost generatorja (UGen) ter konstanta generatorja (kGen), je mogoče za posamezno aplikacijo določiti specifično največjo dovoljeno induktivnost sklopke (medsebojna induktivnost) (L) s pomočjo naslednje formule:
LK = Uind / (UGen * kGen)
medsebojna induktivnost pomaga uporabniku tudi pri izbiri ustreznega konektor glede na njegovo elektromagnetno združljivost ter pri izogibanju dragim in časovno zahtevnim preskusom po metodi poskusov in napak v EMC-Laboru za elektromagnetno združljivost. Tukaj je primer: za HDMI-signal je bila pri napetosti 4,4 kV določena največja medsebojna induktivnost, specifična za ta primer, v višini 47 pikohenrijev (pH). Če je vrednost višja, signala ni več mogoče prenašati brez motenj.
LK = Uind / (UGen * kGen)
medsebojna induktivnost pomaga uporabniku tudi pri izbiri ustreznega konektor glede na njegovo elektromagnetno združljivost ter pri izogibanju dragim in časovno zahtevnim preskusom po metodi poskusov in napak v EMC-Laboru za elektromagnetno združljivost. Tukaj je primer: za HDMI-signal je bila pri napetosti 4,4 kV določena največja medsebojna induktivnost, specifična za ta primer, v višini 47 pikohenrijev (pH). Če je vrednost višja, signala ni več mogoče prenašati brez motenj.
Vendar prenos visokohitrostnih signalov ne ogrožajo le elektromagnetni vplivi. Zlasti v avtomobilski industriji so konektorji (konektor) ponavadi izpostavljeni ekstremnim okoljskim pogojem, kot sta vibracija in udarci. Da bi prenos signalov potekal brez prekinitev tudi v zahtevnem okolju, mora biti konektor posebej robusten. Pri tem imajo odločilno vlogo predvsem zasnova kontaktov, kontaktni sistem in priključna tehnika (tehnika priključevanja).
Dejavnik vpliva: sistem stikov
Klasični dvodelni konektorji (konektor) imajo nožni in vzmetni kontakt (ženski kontakt). V primeru močnega udarca se lahko nožna letev (moški konektor) odlepi od vzmetne letve (ženski konektor). Da ne pride do takšne prekinitve stika (prekinitev kontakta), se z dvostransko vzmetno letvijo (ženski konektor) zagotovi redundancija in s tem zanesljivost stika, saj je s pomočjo druge vzmeti prenos signala vedno zagotovljen vsaj prek ene kontaktne točke (sl. 5).
Še bolj robustni so po drugi strani konektorji (konektor) s tako imenovanim »hermafroditnim« kontaktnim sistemom. Posebnost je v identičnih geometrijah kontaktov parov konektorjev, vtiča (Plug) in vtičnice (Socket). Oba imata tako vzmet kot tudi rezilo. Tako je vsak pin v stiku z dvema vzmetema, vtič in vtičnica pa sta med seboj prepletena in se ne moreta ločiti. Medtem ko dvostranska kontaktna letev (ženski konektor) ob mehanski obremenitvi vedno zagotavlja vsaj eno kontaktno točko, prepletene geometrije pri spolno nevtralnih kontaktnih sistemih zagotavljajo, da prenos signala vedno poteka prek dveh kontaktnih točk. Ta visoka redundancija tako omogoča maksimalno zanesljivost stika (sl. 5).
Kot tehnologijo priključevanja (tehnika priključevanja) za trajno povezavo med tiskano vezje in vtičnico (konektor) se priporoča tehnologija površinske montaže (SMT). S pomočjo spajkalne paste (spajkalna pasta) se vtičnice spajkajo na določene priključne blazinice tiskanega vezja, imenovane spajkalne blazinice (spajkalne blazinice). Šele v tako imenovanem reflow-peči (reflow peč) se spajkalno sredstvo stopi in nato strdi. S tehnologijo SMT je mogoče vzpostaviti stabilne povezave med konektorjem in tiskano vezje. Za to pa morajo biti izpolnjena nekatera merila: najprej je treba za spajkani spoj, ki ustreza standardu IPC-A-610, upoštevati pravilno razmerje med SMT priključek, spajkalna blazinica in spajkalna pasta. Le tako se vzpostavi visokokakovostna povezava, ki omogoča priključek v skladu z razredom IPC 3, torej je primerna za uporabo v visokozmogljivi elektroniki. V tej razredni je treba v vsakem trenutku izključiti motnje pri prenosu signala. Optimalno spajkanspajkani spoj je prepoznavno po enakomernem oblikovanju meniskusa. Stik mora biti po celotnem obodu obdan s spajkalnim meniskusom, da se dosežejo najboljše zadrževalne sile na tiskanem vezju. (sl. 9).
Koplanarnost kontaktnih nogic je pri tem pogoj za odlično povezavo, ki se med samim procesom podvrže 100-odstotnemu avtomatiziranemu pregledu.
Sklep
Sodobni razvoj v avtomobilski industriji postavlja vedno nove zahteve za vgrajene konektor. Na prvi pogled se zdi, da vloga vgrajenih konektorjev zaradi zmanjšanega števila krmilnih enot odhaja v ozadje. Pri natančnejšem pregledu pa se izkaže, da njihova vloga prav zaradi te spremembe k centralni obdelavi podatkov s pomočjo HPC pridobiva na pomenu: zanesljivost pri prenosu signalov še nikoli ni bila tako pomembna kot danes.