車両電気システム：分散型、ドメイン、ゾーンアーキテクチャ
従来の分散型車両アーキテクチャは、最大100の制御ユニットで構成され、それぞれにエンジン制御ユニット（ECU）、エアバッグ、ABS/ESP、シート調整システム、または気候制御などの定義された機能が割り当てられています。 各コントローラーは自律的に動作し、ゲートウェイを介して他のコントロールユニットと通信します。 車両機能が追加または改善されると、新機能ごとにコントロールユニットが追加されます。 近年、すべての車両の種類は、バンフリート車両からバス、自動車まで劇的に変化しており、機能の数の増加により、各車両の配線と相互接続のコンテンツが大幅に増加しました。
ドメインアーキテクチャ内の制御ユニットは、パワートレイン、インフォテインメントシステム、安全機能など、車両の特定のエリアを担当する機能エリアに編成されています。 個別の高性能コンピューター（HPC）は、ドメインの主要な制御を実行し、ドメイン内の制御ユニットを調整します。 たとえば、安全ドメインは、ドライバー支援システム、ABS/ESP、およびステアリングシステムの制御ユニットを監督します。 ドメインアーキテクチャは、コントロールユニットの数を減らし、従来の分散型アーキテクチャと比較して必要な配線と設置作業の量を減らし、重量とコストを効果的に削減します。 追加の機能は、アップグレードまたは新しいデザインに簡単に統合できます。
地域のアーキテクチャでは、ビルドはドメインに基づいているのではなく、ローカル地域に基づいています。 たとえば、複数の機能が車両内の1つの領域にバンドルされます。 ドライブトレインやインフォテインメントシステムなどの機能を組み合わせて、単一のゾーンコントローラーで処理できます。 中央のHPCは、さまざまなゾーンコントローラーの主要な制御を実行し、制御ユニットの数と結果として50％の配線量を減らします。
図1：高性能車両の電気システムアーキテクチャの概略図。 イラスト：ept gmbh
高い信頼性とパフォーマンス要件
HPCとそれらに対応する相互接続モジュールは、最高のパフォーマンス要件のために設計する必要があります。 たとえば、自動運転安全システムにおけるイメージングとセンサーデータの処理には、安全で高速のデータ転送速度と短い遅延時間が必要です。 同時に、シグナルはいかなる状況でも失敗してはなりません。 高性能、高速で、何よりも、信頼性の高いデータ転送速度 - 時には過酷な環境条件下で - これらのシステムのコネクタの要件です。
信号の「読みやすさ」は、レシーバーで放出された信号をデジタル状態1または0に一意に割り当てることができるかどうかを示す目図で示すことができます。この目的のために、信号は、定義された伝送パスを介してオシロスコープで記録され、重ねられ、表示されます。 このようにして、信号ルートをマッピングおよびオーバーラップすることができます。 理論によれば、論理状態の遷移は無限に急勾配であり、信号線は完全に重ねられています。 外部の乱れた要因と信号ペアへの内部損傷は、振幅レベルが変化しながら信号の上昇を平らにします。
図2：目の図は、デジタルデータ送信速度で信号品質を評価するために使用されます。 イラスト：EPT GMBH（Colibri）
いわゆる「アイパッチ」は、図の中央に表示されます。 このエリアで信号を明確に割り当てることはできません。
どちらの目図も、16+ GB/sおよび10 gb/s EPT Colibriプラグコネクタを使用したケーブルの長さとインピーダンスの効果を示しています。 この例は、接触設計をさらに開発することで、信号の整合性の大幅な改善がどのように実現できるかを示しています。 より短いケーブルの長さと100Ωのインピーダンスを使用することにより、16以上のgb/sコリンバリアントの目図は、以前の10 gb/sコリンバリアントよりもはるかに明確に形成できます - 信号ペアは明確に解釈できます。
図3：Colibriの最適化されたコンタクト設計により、低下の高速データレートが可能になります。 イラスト：EPT GMBH（Colibri）
高速信号は、特に電磁の影響を受けやすいため、特別な信号保護が必要です。 この場合、コネクタは干渉のソースと受信機の両方として機能します。 シールドプレートは、外部の影響から敏感な信号を保護します。
図4および5：シールド（上）およびシールドされていない（下）コネクタを使用する場合の信号干渉
コネクタは、電気条件をソースとシンクの両方の関数と見なすことで説明でき、結合インダクタンスLKはEMCパラメーターとして使用されます。 ヘンリー（H）は、この価値を表現するために使用されます。 これは、免疫と干渉放出に適用されます。 誘導電圧（UIND）、発電機電圧（UGEN）、および発電機定数（KGEN）がわかっている場合、次の式を使用して、アプリケーションの特定の最大許容結合インダクタンス（L）を決定できます。
カップリングインダクタンスは、ユーザーがEMC要件に適したコネクタを定義するのにも役立ち、費用と時間に敏感な試行錯誤のテストを回避するのに役立ちます。 例は次のとおりです。4.4kVで、HDMIシグナルのケース固有の最大結合インダクタンスを47ピコヒエン（PH）と決定します。 この値が高い場合、信号は干渉なしに送信できなくなります。
図6：コネクタのシールドされていない（左）およびシールド（右）バージョン。
電磁の影響は、高速信号の伝達を危険にさらす可能性があります。 特に高性能車両アプリケーションでのコネクタは、振動やショックなどの極端な環境条件にさらされています。 コネクタは、過酷な環境でも途切れない信号伝送を確保するために特に堅牢でなければなりません。 このコンテキストの主な決定的要因は、接触設計、接触システム、終了技術です。
過酷な環境での信頼性のための戦略的接触設計
従来のツーピースコネクタには、男性と1人の女性の接触があります。 ただし、強いショックが発生した場合、男性コネクタは女性のコネクタから離れる可能性があります。 この接触の破損を防ぐために、2番目の女性の接触により、信号が少なくとも1つの接触を通じて常に送信されることを保証するため、両面の女性コネクタを使用して冗長性を提供し、接触の信頼性を高めることができます（図5）。
ショックにさらされた（左）および（右）両面の女性の接触。
「性別中立」端子システムを備えたコネクタはより堅牢です。 ここで特別な機能は、コネクタペア - プラグとソケット - が同じ接点ジオメトリを持っていることです。 したがって、どちらにも女性と男性の両方の接触があります。 その結果、各ピンは2つの女性の接触によって接触され、プラグとソケットはインターロックされ、互いに持ち上げることはできません。 両面雌コネクタは、機械的荷重を受けると常に少なくとも1つの接触を保証しますが、ニュートラル接触システムのインターロックジオメトリにより、信号が常に両方の接点を介して送信されることが保証されます。 したがって、この高度な冗長性は、最大の接触信頼性を達成します（図5）。
図7：性別中立末端システムを示すzero8コネクタの断面。
PCBとコネクタ間の耐久性のある接続を実現するには、終了技術としてSurface Mount Technology（SMT）を使用することをお勧めします。 はんだペーストは、コネクタをPCBの指定された接続面にはんだ付けするために使用されます：はんだパッド。 はんだが最初に溶けてから、いわゆるリフローオーブンで硬化します。 SMTにより、コネクタとPCBの間に安定した接続を確立できます。 ただし、これを達成するには、多くの基準を満たす必要があります。 まず、IPC A-610に準拠するはんだジョイントを作成するために、ピン、パッド、ペーストの正しい比率を維持する必要があります。 これは、IPCクラス3に従って高品質の接続を実現する唯一の方法です。つまり、高性能の自動車エレクトロニクスに適しています。 このクラスは、信号伝送障害が発生してはならないと規定しています。 最適なはんだ接続は、湾曲した月面の均一な形成によって認識できます。 PCBで可能な限り最良の保持力を達成するために、接触の全体の周囲は月カーブはんだで閉じる必要があります。 （図7）。
図8：はんだ付けの周りの湾曲した月面の均一な形成
コンタクトフィートは、優れた接続のためにコプラナーでなければなりません。 この結合性は、完全に自動化されたプロセスによってチェックされます。
一見すると、コントロールユニットの数が減少しているため、高性能車両システムにおけるコネクタの役割はあいまいになっているように見えるかもしれません。 しかし、よく見ると、HPCを介した集中データ処理へのこのシフトのために、その役割がますます重要になっていることがまさにあることを明らかにしています。 信号伝送の信頼性はこれまでになく重要になりました。