Autode pardavõrgud
Suurenenud elektriline koormus, mis tuleneb üleminekust e-liikuvusele, isesõitvatele autodele ja 4K-HD-lahutusvõimega infotainmentsüsteemidele, nõuab autotööstuses uusi E/E-arhitektuure. Klassikaline detsentraliseeritud sõiduki elektrisüsteem-Architektur on jõudnud oma piiridele, kuna see on liiga keeruline ja ei suuda tagada nõutavaid kiiruseomadusi. ept pakub nendele väljakutsetele sobivaid board-to-board-konnektor-ühendusi.
sõiduki elektrisüsteem määratlus: detsentraliseeritud, domeenide ja tsoonide arhitektuur
Klassikaline detsentraliseeritud arhitektuur autodes koosneb kuni 100 juhtplokist (juhtplokk), kusjuures igale juhtplokile on määratud kindel funktsioon: mootori juhtimine, turvapadi, ABS / ESP, istme reguleerimine, kliimaseade jne. Iga juhtplokk töötab iseseisvalt ja suhtleb teiste juhtplokkidega väravate (Gateways) kaudu.
Viimaste aastakümnete jooksul on detsentraliseeritud arhitektuur läbinud ajaloolise kasvu, kus iga uus funktsioon täiendas süsteemi veel ühe juhtplokiga (juhtplokk). Tänapäeval on see aga jõudnud oma piiridesse: funktsioonide arvu suurenemine suurendab märkimisväärselt paigaldus- ja juhtmestustööd sõiduki sees.
Domeeniarhitektuuris koondatakse juhtplokid erinevatesse funktsionaalsetesse valdkondadesse. Iga domeen vastutab sõiduki teatud valdkonna eest, näiteks jõuülekande, infotainmenti või turvalisuse eest. Domeeni ülemine juhtimine toimub iseseisva kõrgjõudlusega arvuti (HPC) abil. See koordineerib oma domeeni piires olevaid juhtplokke. Turvalisuse funktsionaalvaldkonna puhul oleksid need näiteks juhiabisüsteemide, ABS/ESP ja roolisüsteemide juhtplokid.
Võrreldes detsentraliseeritud arhitektuuriga vähendab paigaldatud juhtplokkide väiksem arv juhtmestiku ja paigaldustööde mahtu. Seega võib domeeniarhitektuur võrreldes detsentraliseeritud arhitektuuriga aidata kaasa ka kulude ja kaalu tõhusale vähendamisele. Lisafunktsioone on võimalik hiljem integreerida väikese vaevaga.
Tsooniarhitektuuris (tsoonarhitektuur) ei toimu struktureerimine domeenide, vaid kohalike tsoonide alusel. Nii koondatakse näiteks ühe auto tsooni piires mitu funktsiooni. Seega on täiesti võimalik, et ka sellised funktsioonid nagu jõuülekanne ja infotainment koondatakse ühte tsoonikontrollerisse (tsoonikontroller) ja töödeldakse seal. Erinevate tsoonikontrollerite ülemine juhtimine toimub keskse HPC kaudu. Eelis on ilmne: juhtplokkide ja nende juhtmestiku vähendamine kuni 50 protsendi võrra.
Viimaste aastakümnete jooksul on detsentraliseeritud arhitektuur läbinud ajaloolise kasvu, kus iga uus funktsioon täiendas süsteemi veel ühe juhtplokiga (juhtplokk). Tänapäeval on see aga jõudnud oma piiridesse: funktsioonide arvu suurenemine suurendab märkimisväärselt paigaldus- ja juhtmestustööd sõiduki sees.
Domeeniarhitektuuris koondatakse juhtplokid erinevatesse funktsionaalsetesse valdkondadesse. Iga domeen vastutab sõiduki teatud valdkonna eest, näiteks jõuülekande, infotainmenti või turvalisuse eest. Domeeni ülemine juhtimine toimub iseseisva kõrgjõudlusega arvuti (HPC) abil. See koordineerib oma domeeni piires olevaid juhtplokke. Turvalisuse funktsionaalvaldkonna puhul oleksid need näiteks juhiabisüsteemide, ABS/ESP ja roolisüsteemide juhtplokid.
Võrreldes detsentraliseeritud arhitektuuriga vähendab paigaldatud juhtplokkide väiksem arv juhtmestiku ja paigaldustööde mahtu. Seega võib domeeniarhitektuur võrreldes detsentraliseeritud arhitektuuriga aidata kaasa ka kulude ja kaalu tõhusale vähendamisele. Lisafunktsioone on võimalik hiljem integreerida väikese vaevaga.
Tsooniarhitektuuris (tsoonarhitektuur) ei toimu struktureerimine domeenide, vaid kohalike tsoonide alusel. Nii koondatakse näiteks ühe auto tsooni piires mitu funktsiooni. Seega on täiesti võimalik, et ka sellised funktsioonid nagu jõuülekanne ja infotainment koondatakse ühte tsoonikontrollerisse (tsoonikontroller) ja töödeldakse seal. Erinevate tsoonikontrollerite ülemine juhtimine toimub keskse HPC kaudu. Eelis on ilmne: juhtplokkide ja nende juhtmestiku vähendamine kuni 50 protsendi võrra.
Nõuded HPC-le ja selle pistikühendustele (konnektor)
Sellest tulenevad nõuded HPC-le on suured: eelkõige pildistamisandmete töötlemine infotainment-valdkonnas või autonoomse sõidu kaamerasüsteemides nõuab turvalist kiiret andmeedastust lühikeste latentsusaegadega. Samal ajal ei tohi signaaliülekande katkemine mingil juhul toimuda – selle usaldusväärsus peab olema tagatud igal ajal.
Suur jõudlus, kiire ja eelkõige usaldusväärne andmeedastus – mõnikord ka ebasoodsates keskkonnatingimustes – on seega nõuded, mida esitatakse ka paigaldatud konnektor'ile.
Signaali „loetavust“ saab illustreerida nn silmdiagrammi abil. See näitab, kas edastatud signaali saab vastuvõtjas üheselt määratleda digitaalsete seisunditena 1 või 0.
Selleks läbib signaal määratletud ülekandetee, kus see salvestatakse ostsilloskoobiga, ülekattub ja kuvatakse. Nii on võimalik kujutada kõiki võimalikke signaalikõveraid „üksteise peal“. Teoreetiliselt on loogiliste seisundite üleminekud lõpmatult järsud ja signaalijooned kulgevad täpselt üksteise peal. Väliste häiretegurite ja signaalipaaride sisemiste häirete tõttu muutub signaali tõus järsemaks ja amplituudi kõrgus muutub. Selle tulemusena tekib nimetuse aluseks olev silma kuju.
Suur jõudlus, kiire ja eelkõige usaldusväärne andmeedastus – mõnikord ka ebasoodsates keskkonnatingimustes – on seega nõuded, mida esitatakse ka paigaldatud konnektor'ile.
Signaali „loetavust“ saab illustreerida nn silmdiagrammi abil. See näitab, kas edastatud signaali saab vastuvõtjas üheselt määratleda digitaalsete seisunditena 1 või 0.
Selleks läbib signaal määratletud ülekandetee, kus see salvestatakse ostsilloskoobiga, ülekattub ja kuvatakse. Nii on võimalik kujutada kõiki võimalikke signaalikõveraid „üksteise peal“. Teoreetiliselt on loogiliste seisundite üleminekud lõpmatult järsud ja signaalijooned kulgevad täpselt üksteise peal. Väliste häiretegurite ja signaalipaaride sisemiste häirete tõttu muutub signaali tõus järsemaks ja amplituudi kõrgus muutub. Selle tulemusena tekib nimetuse aluseks olev silma kuju.
Diagrammi keskel on näha nn Eye Mask. Selles piirkonnas ei ole signaali üheselt määratletav.
Mõlemad silmdiagrammid näitavad juhtme pikkuse ja impedantsi mõju ept Colibri-konnektor näitel versioonides 16 + Gbit/s ja 10 Gbit/s. Näide illustreerib, kuidas kontaktide disaini edasiarendamise abil õnnestus saavutada märkimisväärne signaali terviklus'i paranemine (vt joonis XX). Lühema kaabli pikkuse ja 100 Ω impedantsi tõttu on Colibri 16+ Gbit/s variandi silm selgemini eristatav kui Colibri eelmisel, 10 Gbit/s versioonil – signaalipaare on võimalik üheselt tõlgendada.
Mõlemad silmdiagrammid näitavad juhtme pikkuse ja impedantsi mõju ept Colibri-konnektor näitel versioonides 16 + Gbit/s ja 10 Gbit/s. Näide illustreerib, kuidas kontaktide disaini edasiarendamise abil õnnestus saavutada märkimisväärne signaali terviklus'i paranemine (vt joonis XX). Lühema kaabli pikkuse ja 100 Ω impedantsi tõttu on Colibri 16+ Gbit/s variandi silm selgemini eristatav kui Colibri eelmisel, 10 Gbit/s versioonil – signaalipaare on võimalik üheselt tõlgendada.
Kuna kiirssignaalid on eriti tundlikud elektromagnetiliste mõjude suhtes, vajavad nad erilist signaalikaitset. Pistikühendus (konnektor) võib selles kontekstis toimida nii häireallikana kui ka neeldajana. Seetõttu on soovitatav kasutada signaalikaitset varjestusplaadi (varjestusplaat) abil, et kaitsta tundlikke signaale väliste mõjude eest.
Jooniselt 4 on näha, et juba väike elektriline impulss võib moonutada kasulikku signaali. Vastuvõtja ei suuda HDMI-signaali digitaalseid seisundeid enam üheselt tõlgendada juba pärast lühikest 0,5 kV pikkust impulssi, samas kui varjestatud konnektori signaaliülekande stabiilsus säilib isegi 4,4 kV pingel.
Jooniselt 4 on näha, et juba väike elektriline impulss võib moonutada kasulikku signaali. Vastuvõtja ei suuda HDMI-signaali digitaalseid seisundeid enam üheselt tõlgendada juba pärast lühikest 0,5 kV pikkust impulssi, samas kui varjestatud konnektori signaaliülekande stabiilsus säilib isegi 4,4 kV pingel.
EMÜ'i (LK) kui EMÜ-parameetri abil saab pistikut kirjeldada, võttes arvesse elektrilisi suhteid mõlemas funktsioonis – allikas ja neeldaja. Selleks kasutatakse ühikut henry. See kehtib nii häirekindluse (häirekindlus) kui ka häirekiirguse (häirekiirgus) puhul. Kui indutseeritud pinge (Uind), generaatori pinge (UGen) ja generaatori konstant (kGen) on teada, saab konkreetse rakenduse jaoks vastava maksimaalse lubatud koppeldusinduktiivsuse (vastastikinduktiivsus) (L) määrata järgmise valemi abil:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Koppeldinduktanss (vastastikinduktiivsus) aitab kasutajal lisaks määrata sobiva pistikühenduse (konnektor) elektromagnetilise ühilduvuse seisukohast ning vältida kulukaid ja aeganõudvaid katse-ja-viga-meetodil läbiviidavaid katseid EMÜ-Laboris. Siinkohal üks näide: HDMI-signaali puhul määrati pingel 4,4 kV kindlaks juhtumispõhine maksimaalne vastastikinduktiivsus 47 pikohenryt (pH). Kui väärtus ületab seda, ei ole signaali enam võimalik häireteta edastada.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Koppeldinduktanss (vastastikinduktiivsus) aitab kasutajal lisaks määrata sobiva pistikühenduse (konnektor) elektromagnetilise ühilduvuse seisukohast ning vältida kulukaid ja aeganõudvaid katse-ja-viga-meetodil läbiviidavaid katseid EMÜ-Laboris. Siinkohal üks näide: HDMI-signaali puhul määrati pingel 4,4 kV kindlaks juhtumispõhine maksimaalne vastastikinduktiivsus 47 pikohenryt (pH). Kui väärtus ületab seda, ei ole signaali enam võimalik häireteta edastada.
Kuid mitte ainult elektromagnetilised mõjud ohustavad kiirsignaalide edastamist. Eriti autotööstuses on pistikühendused (konnektor) korduvalt avatud äärmuslikele keskkonnatingimustele, nagu vibratsioon ja löögid. Et signaaliedastus toimuks ka rasketes tingimustes katkematult, peab pistikühendus olema eriti vastupidav. Selles mängivad otsustavat rolli eelkõige kontaktide disain, kontaktsüsteem ja ühendustehnika (ühendustehnika).
Mõjutav tegur: kontaktisüsteem
Klassikalistel kaheosalistel pistikühendustel (konnektor) on üks Messer- ja üks emane kontakt. Tugeva löögi korral võib Messer-isane konnektor siiski emane konnektor'ist lahti tulla. Et sellist kontaktikatkestus ei tekiks, saab kahepoolse emane konnektor'i abil tagada redundantsuse ja seega kontakti kindluse, sest teise emane konnektor'i abil on signaali edastamine igal ajal tagatud vähemalt ühe kontaktpunkti kaudu (joonis 5).
Veel vastupidavamad on aga pistikühendused (konnektor), millel on nn „hermafrodiitne“ kontaktisüsteem. Eripäraks on siin pistikupaaride – pistik (Plug) ja pistikupesa (Socket) – identne kontaktgeomeetria. Mõlemal on seega nii vedru kui ka tera. Seega puutub iga viik kokku kahe vedruga, kusjuures pistik ja pistikupesa on omavahel põimunud ega saa üksteisest lahti tulla. Kui kahepoolne kontaktiriba (emane konnektor) tagab mehaanilise koormuse korral alati vähemalt ühe kontaktpunkti, siis soolaneutraalsete kontaktisüsteemide põimitud geomeetria tagab, et signaaliülekande toimub alati kahe kontaktpunkti kaudu. See kõrge redundantsus võimaldab seega maksimaalset kontaktikindlust (joonis 5).
ühendustehnika Püsiva ühenduse loomiseks trükkplaadi ja konnektor vahel soovitatakse kasutada pinnapaigaldustehnoloogiat (SMT). Selle käigus jootetakse jootepasta abil konnektor trükkplaadi määratud kontaktpindadele, nn jootepadidele. Alles nn jootekambris ( reflow-ahi ) sulatatakse jootematerjal ja seejärel lastakse see kõveneda. SMT abil on võimalik luua stabiilseid ühendusi pistiku ja trükkplaadi vahel. Selleks peavad aga olema täidetud mõned kriteeriumid: esiteks tuleb standardile IPC-A-610 vastavajootekoht tagamiseks järgida õiget suhet jootejalg, jootepadi ja jootepasta vahel. Ainult nii luuakse kvaliteetne ühendus, mis võimaldab IPC-klassi 3 vastavat ühendust, mis sobib seega kasutamiseks suure võimsusega elektroonikas. Selles klassis peavad signaaliülekande häired olema igal ajal välistatud. Optimaalset jooteühendus on võimalik ära tunda ühtlase meniskuse järgi. Kontakt peab olema üleni jootemeniskusega ümbritsetud, et saavutada parimad hoidejõud trükkplaadil. (Joonis 9).
Kontaktjalgade koplanaarsus on suurepärase ühenduse eelduseks ning seda kontrollitakse protsessi käigus 100% automatiseeritud kontrolli abil.
Kokkuvõte
Autotööstuse praegused arengud esitavad paigaldatud konnektor'itele üha uusi nõudeid. Esmapilgul tundub, et paigaldatud pistikute roll jääb tagaplaanile juhtplokkide arvu vähenemise tõttu. Lähemalt vaadates selgub aga, et just tänu sellele üleminekule keskse andmetöötluse poole HPC abil muutub nende roll veelgi olulisemaks: signaaliedastuse usaldusväärsus pole kunagi varem olnud nii tähtis kui täna.