Bilbordnet
Øget elektrisk belastning som følge af overgangen til e-mobilitet, autonom kørsel og infotainmentsystemer med 4K-HD-opløsning kræver nye elsystem-arkitekturer inden for bilindustrien. Den klassiske decentraliserede elsystem-Architektur når sine grænser på grund af sin kompleksitet og de krævede højhastighedsegenskaber. ept tilbyder de rette board-to-board-stik til disse udfordringer.
Definition af »elsystem«: Decentral, domæne- og zonearkitektur
Den klassiske decentraliserede arkitektur i biler består af op til 100 styreenheder (styreenhed), hvor hver styreenhed tildeles en defineret funktion: motorstyring, airbag, ABS/ESP, sædejustering, klimaanlæg, … Hver styreenhed fungerer selvstændigt og kommunikerer via gateways med andre styreenheder.
I løbet af de seneste årtier har den decentraliserede arkitektur gennemgået en historisk vækst, hvor hver ny funktionalitet blev suppleret med endnu et styreenhed. I dag er den imidlertid ved at nå sine grænser: Stigende funktionaliteter øger installations- og ledningsføringsomkostningerne i køretøjet betydeligt.
I domænearkitekturen samles styreenhederne i forskellige funktionsområder. Hvert domæne er ansvarligt for et bestemt område i køretøjet, såsom fremdrift, infotainment eller sikkerhed. Den overordnede styring af et domæne varetages af en selvstændig højtydende computer (HPC). Denne koordinerer styreenhederne inden for sit domæne. For funktionsområdet sikkerhed vil det for eksempel være styreenheder til førerassistancesystemer, ABS/ESP og styresystemer.
Sammenlignet med den decentraliserede arkitektur reduceres omfanget af ledningsføring og installation takket være det mindre antal indbyggede styreenheder. Domænearkitekturen kan dermed også bidrage effektivt til at reducere omkostninger og vægt i forhold til den decentraliserede arkitektur. Derudover kan yderligere funktioner integreres efterfølgende med minimal indsats.
I zonearkitektur sker struktureringen ikke ud fra domæner, men efter lokale zoner. Således samles der for eksempel flere funktioner inden for en zone i bilen. Dermed kan funktioner som fremdrift og infotainment sagtens samles og behandles i en zonezonecontroller. Den overordnede styring af de forskellige zonezonecontroller varetages af en central HPC. Fordelen er indlysende: En reduktion af antallet af styreenheder samt kabelføringen med op til 50 procent.
I løbet af de seneste årtier har den decentraliserede arkitektur gennemgået en historisk vækst, hvor hver ny funktionalitet blev suppleret med endnu et styreenhed. I dag er den imidlertid ved at nå sine grænser: Stigende funktionaliteter øger installations- og ledningsføringsomkostningerne i køretøjet betydeligt.
I domænearkitekturen samles styreenhederne i forskellige funktionsområder. Hvert domæne er ansvarligt for et bestemt område i køretøjet, såsom fremdrift, infotainment eller sikkerhed. Den overordnede styring af et domæne varetages af en selvstændig højtydende computer (HPC). Denne koordinerer styreenhederne inden for sit domæne. For funktionsområdet sikkerhed vil det for eksempel være styreenheder til førerassistancesystemer, ABS/ESP og styresystemer.
Sammenlignet med den decentraliserede arkitektur reduceres omfanget af ledningsføring og installation takket være det mindre antal indbyggede styreenheder. Domænearkitekturen kan dermed også bidrage effektivt til at reducere omkostninger og vægt i forhold til den decentraliserede arkitektur. Derudover kan yderligere funktioner integreres efterfølgende med minimal indsats.
I zonearkitektur sker struktureringen ikke ud fra domæner, men efter lokale zoner. Således samles der for eksempel flere funktioner inden for en zone i bilen. Dermed kan funktioner som fremdrift og infotainment sagtens samles og behandles i en zonezonecontroller. Den overordnede styring af de forskellige zonezonecontroller varetages af en central HPC. Fordelen er indlysende: En reduktion af antallet af styreenheder samt kabelføringen med op til 50 procent.
Krav til HPC og dets stik
De krav, der dermed stilles til en HPC, er store: Ikke mindst behandlingen af billeddata inden for infotainment eller kamerasystemer til autonom kørsel kræver en sikker højhastighedsdataoverførsel med korte ventetider. Samtidig må der under ingen omstændigheder opstå svigt i signaloverførslen – dens pålidelighed skal være sikret til enhver tid.
Høj ydeevne, hurtig og frem for alt pålidelig dataoverførsel – til tider under ugunstige miljøforhold – er derfor også krav, der stilles til de indbyggede stik.
Et signals »læsbarhed« kan illustreres ved hjælp af det såkaldte øjediagram. Dette angiver, om et transmitteret signal i modtageren entydigt kan tilordnes de digitale tilstande 1 eller 0.
Til dette formål gennemløber et signal en defineret transmissionsstrækning, hvor det registreres, overlejres og vises af et oscilloskop. På denne måde kan alle mulige signalforløb afbildes »oven på hinanden«. I teorien er overgangene mellem de logiske tilstande uendeligt stejle, og signallinjerne forløber nøjagtigt oven på hinanden. På grund af eksterne forstyrrende faktorer og interne forstyrrelser af signalparrene flader signalstigningen ud, og amplituden ændrer sig. Der opstår den form, der har givet diagrammet dets navn: et øje.
Høj ydeevne, hurtig og frem for alt pålidelig dataoverførsel – til tider under ugunstige miljøforhold – er derfor også krav, der stilles til de indbyggede stik.
Et signals »læsbarhed« kan illustreres ved hjælp af det såkaldte øjediagram. Dette angiver, om et transmitteret signal i modtageren entydigt kan tilordnes de digitale tilstande 1 eller 0.
Til dette formål gennemløber et signal en defineret transmissionsstrækning, hvor det registreres, overlejres og vises af et oscilloskop. På denne måde kan alle mulige signalforløb afbildes »oven på hinanden«. I teorien er overgangene mellem de logiske tilstande uendeligt stejle, og signallinjerne forløber nøjagtigt oven på hinanden. På grund af eksterne forstyrrende faktorer og interne forstyrrelser af signalparrene flader signalstigningen ud, og amplituden ændrer sig. Der opstår den form, der har givet diagrammet dets navn: et øje.
I midten af diagrammet kan man se den såkaldte »Eye Mask«. En entydig tilordning af signalet er ikke mulig i dette område.
De to øjediagrammer viser indflydelsen af ledningslængde og impedans ved hjælp af eksemplet med ept Colibri-stik i udførelserne 16 + Gbit/s og 10 Gbit/s. Eksemplet illustrerer, hvordan man gennem videreudviklingen af kontaktdesignet har kunnet opnå en markant forbedring af signalintegritet (se fig. XX). Takket være en kortere ledningslængde og en impedans på 100 Ω kan øjet i 16+ Gbit/s-varianten af Colibri tegne sig tydeligere end i den tidligere 10 Gbit/s-variant af Colibri – signalparrene kan fortolkes entydigt.
De to øjediagrammer viser indflydelsen af ledningslængde og impedans ved hjælp af eksemplet med ept Colibri-stik i udførelserne 16 + Gbit/s og 10 Gbit/s. Eksemplet illustrerer, hvordan man gennem videreudviklingen af kontaktdesignet har kunnet opnå en markant forbedring af signalintegritet (se fig. XX). Takket være en kortere ledningslængde og en impedans på 100 Ω kan øjet i 16+ Gbit/s-varianten af Colibri tegne sig tydeligere end i den tidligere 10 Gbit/s-variant af Colibri – signalparrene kan fortolkes entydigt.
Da højhastighedssignaler er særligt følsomme over for elektromagnetiske påvirkninger, kræver de en særlig signalbeskyttelse. En stik kan i denne sammenhæng fungere både som støjkilde og som dræn. Af denne grund anbefales signalbeskyttelse ved hjælp af afskærmningsplade for at beskytte de følsomme signaler mod eksterne påvirkninger.
At selv en lille elektrisk impuls kan forvrænge brugsignalet, fremgår af figur 4. Modtageren kan ikke længere entydigt fortolke de digitale tilstande i HDMI-signalet allerede efter en kort burst-impuls på 0,5 kV, hvorimod signaloverførslen via det afskærmede stik forbliver stabil selv ved 4,4 kV.
At selv en lille elektrisk impuls kan forvrænge brugsignalet, fremgår af figur 4. Modtageren kan ikke længere entydigt fortolke de digitale tilstande i HDMI-signalet allerede efter en kort burst-impuls på 0,5 kV, hvorimod signaloverførslen via det afskærmede stik forbliver stabil selv ved 4,4 kV.
Med koblingsgensidig induktans LK som EMC-parameter kan stikket beskrives ved at betragte de elektriske forhold i begge funktioner – kilde og dræn. Her anvendes enheden Henry. Dette gælder både for immunitet (EMI) og for elektromagnetisk emission (EMI). Hvis den inducerede spænding (Uind), generatorens spænding (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) er kendt, kan den respektive specifikke maksimalt tilladte gensidig induktans (L) for en given anvendelse bestemmes ved hjælp af følgende formel:
LK = Uind / (UGen * kGen)
gensidig induktans hjælper desuden brugeren med at vælge den rette stik med hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet og dermed undgå omkostnings- og tidskrævende trial-and-error-tests i EMC-Laboret. Her er et eksempel: For et HDMI-signal blev der ved en spænding på 4,4 kV fastslået en tilfældespecifik maksimal kgensidig induktans på 47 picohenry (pH). Ligger værdien højere, kan signalet derfor ikke længere overføres uden forstyrrelser.
LK = Uind / (UGen * kGen)
gensidig induktans hjælper desuden brugeren med at vælge den rette stik med hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet og dermed undgå omkostnings- og tidskrævende trial-and-error-tests i EMC-Laboret. Her er et eksempel: For et HDMI-signal blev der ved en spænding på 4,4 kV fastslået en tilfældespecifik maksimal kgensidig induktans på 47 picohenry (pH). Ligger værdien højere, kan signalet derfor ikke længere overføres uden forstyrrelser.
Men det er ikke kun elektromagnetiske påvirkninger, der udgør en risiko for overførslen af højhastighedssignaler. Især inden for bilindustrien udsættes stikforbindelser (stik) gentagne gange for ekstreme miljøforhold såsom vibrationer og stød. For at sikre, at signaloverførslen forløber uden afbrydelser selv i barske omgivelser, skal stikforbindelsen være særligt robust. Her spiller først og fremmest kontaktdesign, kontaktsystem og tilslutningsteknik (tilslutningsteknik) en afgørende rolle.
Faktor: Kontaktsystem
Klassiske todelte stikforbindelser (stik) har en knivkontakt og en fjederkontakt (hunkontakt). Ved kraftige stød kan knivkontaktrækken (hanstik) dog løfte sig fra fjederkontaktrækken (hunstik). For at undgå en sådan kontaktafbrydelse (kontaktafbrydelse) kan man ved hjælp af en dobbeltsidet fjederkontaktrække (hunstik) sikre redundans og dermed kontaktsikkerhed, da signaloverførslen takket være den anden fjeder til enhver tid er sikret via mindst ét kontaktpunkt (fig. 5).
stik med det hermafroditiske kontaktsystem er derimod endnu mere robuste. Det særlige ved disse er de identiske kontaktgeometrier hos stikparrene, Plug og Socket. Begge har derfor både en fjeder og en kontaktkniv. Hver pin får således kontakt via to fjedre, og Plug og Socket er indbyrdes sammenflettede og kan ikke løsnes fra hinanden. Mens en dobbeltsidet hunstik under mekanisk belastning altid sikrer mindst ét kontaktpunkt, garanterer de sammenflettede geometrier i kønsneutrale kontaktsystemer, at signaloverførslen altid foregår via to kontaktpunkter. Denne høje redundans muliggør dermed maksimal kontaktsikkerhed (fig. 5).
Som tilslutningsteknik (tilslutningsteknik) til en holdbar forbindelse mellem printkortet og stikforbindelsen (stik) anbefales Surface-Mount-teknologien (SMT). Ved hjælp af loddepasta (loddepasta) loddes stikforbindelserne på definerede loddeflader på printkortet, de såkaldte loddeøer. Først i en såkaldt reflow-ovn (reflowovn) smeltes loddematerialet og hærdes derefter. SMT gør det muligt at opnå stabile forbindelser mellem stik og printplade. Her skal dog nogle kriterier være opfyldt: For det første skal det korrekte forhold mellem SMT-ben, loddeø og loddepasta overholdes for at opnå en loddested, der overholder standarden IPC-A-610. Kun på denne måde opnås en forbindelse af høj kvalitet, der muliggør en tilslutning i henhold til IPC-klasse 3 og dermed er egnet til brug i højtydende elektronik. I denne klasse skal svigt i signaloverførslen til enhver tid udelukkes. En optimal loddeforbindelse kan genkendes på den jævne meniskdannelse. Kontakten skal være omgivet af loddemenisken hele vejen rundt for at opnå den bedste holdekraft på printkortet. (Fig. 9).
Det er en forudsætning for en fremragende forbindelse, at kontaktfødderne ligger i samme plan, og dette kontrolleres løbende under produktionen ved hjælp af en 100 % automatiseret inspektion.
Konklusion
Aktuelle udviklinger i bilindustrien stiller stadig nye krav til de indbyggede stik. Umiddelbart ser det ud til, at de indbyggede stikkers rolle træder i baggrunden på grund af det reducerede antal styreenheder. Ved nærmere betragtning viser det sig imidlertid, at deres rolle netop vinder i betydning som følge af denne omstilling til central databehandling ved hjælp af HPC: Pålidelighed i signaloverførslen har aldrig været så vigtig som i dag.