Araç Elektrik Sistemleri: Merkezi olmayan, alan ve bölge mimarileri
Geleneksel merkezi olmayan araç mimarileri, her biri motor kontrol ünitesi (ECU), hava yastıkları, ABS/ESP, koltuk ayar sistemi veya iklim kontrolü gibi tanımlanmış bir işlev atanan 100'e kadar kontrol ünitesinden oluşur. Her denetleyici özerk çalışır ve bir ağ geçidi aracılığıyla diğer kontrol birimleriyle iletişim kurar. Araç özellikleri eklendikçe veya geliştirildikçe, her yeni özellik için bir kontrol ünitesi eklenir. Tüm araç türleri son yıllarda, van filo araçlarından otobüslere ve otomobillere kadar önemli ölçüde değişti ve özellik sayısındaki artış, her bir aracın kablolama ve ara bağlantı içeriğini büyük ölçüde artırdı.
Bir alan mimarisindeki kontrol birimleri, her biri aracın güç aktarma organı, bilgi -eğlence sistemi veya güvenlik işlevleri gibi belirli bir alanından sorumlu fonksiyonel alanlar halinde düzenlenir. Ayrı bir yüksek performanslı bilgisayar (HPC), etki alanının birincil kontrolünü gerçekleştirir ve etki alanındaki kontrol birimlerini koordine eder. Örneğin, güvenlik alanı sürücü yardım sistemleri, ABS/ESP ve direksiyon sistemleri için kontrol birimlerini denetler. Etki alanı mimarisi, kontrol birimlerinin sayısını azaltır ve geleneksel merkezi olmayan mimarilere kıyasla gereken kablolama ve kurulum çalışması miktarını azaltır, böylece ağırlık ve maliyetleri etkili bir şekilde azaltır. Ek işlevler yükseltmelere veya yeni tasarımlara kolayca entegre edilebilir.
Bölgesel bir mimaride, yapı alana değil, yerel bölgeye dayanmaktadır. Örneğin, çoklu işlevler araç içindeki bir alana paketlenir. Aktarma organları ve bilgi -eğlence sistemi gibi işlevler birleştirilebilir ve tek bir bölge kontrolöründe işlenebilir. Merkezi bir HPC, çeşitli bölge kontrolörlerinin birincil kontrolünü gerçekleştirir, kontrol birimlerinin sayısını ve bunun sonucunda bulunan kablolama miktarını yüzde 50 azaltır.
Şekil 1: Yüksek performanslı bir aracın elektrik sistemi mimarisinin şematik gösterimi. İllüstrasyon: EPT GmbH
Yüksek güvenilirlik ve performans gereksinimleri
HPC'ler ve bunların karşılık gelen ara bağlantı modülleri en yüksek performans gereksinimleri için tasarlanmalıdır. Örneğin, otomatik sürüş güvenlik sistemlerinde görüntüleme ve sensör verilerinin işlenmesi güvenli, yüksek hızlı veri aktarım hızları ve kısa gecikme süreleri gerektirir. Aynı zamanda, sinyalleme hiçbir koşulda başarısız olmamalıdır. Yüksek performans, hızlı ve her şeyden önce güvenilir veri aktarım oranları - bazen sert çevre koşulları altında - bu sistemlerdeki konektörler için gereksinimlerdir.
Bir sinyalin “okunabilirliği”, alıcıda yayılan sinyallerin dijital durum 1 veya 0'a benzersiz bir şekilde atanıp atanamayacağını gösteren bir göz diyagramı ile gösterilebilir. Bu amaçla, sinyaller tanımlanmış iletim yolları yoluyla kaydedilir, üst üste bindirilir ve bir osiloskop ile görüntülenir. Bu şekilde, sinyal yolları haritalanabilir ve üst üste bindirilebilir. Teoriye göre, mantıksal durumların geçişleri sonsuz diktir ve sinyal çizgileri tamamen üst üste bindirilir. Dış rahatsız edici faktörler ve sinyal çiftine iç hasar, genlik seviyesi değişirken sinyal yükselişini düzleştirir.
Şekil 2: Göz diyagramları dijital veri iletim oranlarında sinyal kalitesini değerlendirmek için kullanılır. İllüstrasyon: EPT GmbH (Colibri)
Sözde “göz yaması” diyagramın merkezinde görülebilir. Bu alanda açıkça sinyal atamak mümkün değildir.
Her iki göz diyagramı da 16+ GB/s ve 10 GB/s EPT Colibri fiş konektörlerini kullanarak kablo uzunluğunun ve empedansın etkisini göstermektedir. Bu örnek, temas tasarımını daha da geliştirerek sinyal bütünlüğündeki önemli iyileştirmelerin nasıl gerçekleştirilebileceğini göstermektedir. Daha kısa bir kablo uzunluğu ve 100 Ω empedans kullanılarak, 16+ GB/s colibri varyantının göz diyagramı, önceki 10 GB/s Colibri varyantından çok daha net bir şekilde oluşturulabilir - sinyal çiftleri açıkça yorumlanabilir.
Şekil 3: Colibri'nin optimize edilmiş temas tasarımı, düşük kayıplı, yüksek hızlı veri hızlarına olanak tanır. İllüstrasyon: EPT GmbH (Colibri)
Yüksek hızlı sinyaller özel sinyal koruması gerektirir, çünkü bunlar özellikle elektromanyetik etkilere karşı hassastır. Bu durumda, konektör hem bir kaynak hem de parazit alıcısı olarak hareket edebilir. Koruyucu plakalar hassas sinyalleri dış etkilerden koruyacaktır.
Şekil 4 ve 5: Korumalı (üst) ve korumasız (alt) konektörler kullanılırken sinyal paraziti
Konektör, elektrik koşulları hem kaynak hem de lavabonun bir fonksiyonu olarak değerlendirilerek tanımlanabilir ve birleştirme endüktans LK bir EMC parametresi olarak kullanılır. Henry (H) bu değeri ifade etmek için kullanılır. Bu bağışıklık ve parazit emisyonu için geçerlidir. İndüklenen voltaj (Uind), jeneratör voltajı (UGEN) ve jeneratör sabiti (KGen) biliniyorsa, uygulama için izin verilen maksimum bağlantı endüktansını (L) belirlemek için aşağıdaki formül kullanılabilir:
Birleştirme endüktansı ayrıca kullanıcının EMC gereksinimleri için uygun konektörü tanımlamasına yardımcı olur ve maliyetli ve zamana duyarlı deneme ve hata testinden kaçınmaya yardımcı olur. Bir örnek aşağıdaki gibidir: 4.4 kV'de, HDMI sinyallerinin 47 picohyen (pH) olması için vaka spesifik maksimum bağlantı endüktansını belirleyin. Bu değer daha yüksekse, sinyal artık parazit olmadan iletilemez.
Şekil 6: Bağlayıcının korumasız (sol) ve korumalı (sağ) versiyonları.
Elektromanyetik etkiler, yüksek hızlı sinyallerin iletimini tehlikeye atabilir. Konektörler, özellikle yüksek performanslı araç uygulamalarında, titreşim ve şok gibi aşırı çevresel koşullara maruz kalır. Konektörler, zorlu ortamlarda bile kesintisiz sinyal iletimini sağlamak için özellikle sağlam olmalıdır. Bu bağlamdaki ana belirleyici faktörler temas tasarımı, temas sistemleri ve fesih teknolojisidir.
Sert ortamlarda güvenilirlik için stratejik iletişim tasarımı
Geleneksel iki parçalı konektörler bir erkek ve bir kadın teması vardır. Bununla birlikte, güçlü şoklar durumunda, erkek konnektör dişi konektörden ayrılabilir. Bu temas kırılmasını önlemek için, yedeklilik sağlamak ve böylece temas güvenilirliğini arttırmak için çift taraflı bir dişi konektör kullanılabilir, çünkü ikinci dişi teması sinyalin her zaman en az bir temas yoluyla iletilmesini sağlar (Şekil 5).
Hayır (sol) ve (sağ) şoka maruz kalan çift taraflı dişi temaslar.
“Cinsiyetten bağımsız” terminal sistemlerine sahip konektörler daha sağlamdır. Buradaki özel özellik, konektör çifti - fiş ve soket - aynı temas geometrisine sahip olmasıdır. Bu nedenle, her ikisinin de kadın hem de erkek temasları vardır. Sonuç olarak, her bir pim iki dişi kontakla temas eder ve fiş ve soket birbirine bağlıdır ve birbirinden kaldırılamaz. Çift taraflı dişi konektör, mekanik yüklere tabi tutulduğunda her zaman en az bir temas sağlarken, nötr temas sistemindeki birbirine geçen geometri sinyalin her zaman her iki kontaktan her zaman iletilmesini sağlar. Bu yüksek fazlalık derecesi bu nedenle maksimum temas güvenilirliği sağlar (Şekil 5).
Şekil 7: Cinsiyetten bağımsız terminal sistemini gösteren bir sıfır8 konektörün kesiti.
PCB ve konektör arasında dayanıklı bir bağlantı elde etmek için, bir sonlandırma tekniği olarak yüzey montaj teknolojisinin (SMT) kullanılmasını öneririz. Lehim macunu, konektörü PCB'nin belirlenen bağlantı yüzeyine lehimlemek için kullanılır: lehim pedleri. Lehim önce eritilir ve daha sonra sözde bir geri dönme fırında sertleştirilir. SMT, konektör ve PCB arasında kararlı bir bağlantının kurulmasına izin verir. Ancak, bunu başarmak için bir dizi kriter karşılanmalıdır. Her şeyden önce, IPC A-610'a uygun lehim derzleri oluşturmak için pim, ped ve macun doğru oranı korunmalıdır. IPC sınıf 3'e göre yüksek kaliteli bir bağlantı elde etmenin tek yolu budur, bu da yüksek performanslı otomotiv elektroniği için uygun olduğu anlamına gelir. Bu sınıf, sinyal iletim arızalarının oluşmaması gerektiğini öngörür. Optimum lehim bağlantısı, kavisli ay yüzünün muntazam oluşumu ile tanınabilir. PCB'de mümkün olan en iyi tutma kuvvetini elde etmek için temasın tüm çevresi bir ay eğrisi lehim ile kapatılmalıdır. (Şekil 7).
Şekil 8: Lehimleme ayağının etrafındaki kavisli ay yüzünün düzgün oluşumu
Mükemmel bir bağlantı için temas ayakları Coplanar olmalıdır. Bu Eoplanarite tam otomatik bir işlemle kontrol edilir.
İlk bakışta, konektörlerin yüksek performanslı araç sistemlerindeki rolü, kontrol birimlerinin sayısındaki azalma nedeniyle belirsizliğe dönüşüyor gibi görünebilir. Bununla birlikte, daha yakından bakıldığında, tam olarak HPC yoluyla merkezi veri işlemeye geçiş nedeniyle rollerinin giderek daha önemli hale geldiğini ortaya koymaktadır. Sinyal iletiminin güvenilirliği hiç bu kadar önemli olmamıştır.