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Libro Blanco

Redes de a bordo para automóviles

El aumento de las exigencias eléctricas, debido a la transición hacia la movilidad eléctrica, la conducción autónoma y los sistemas de infoentretenimiento con resolución 4K-HD, requiere nuevas arquitecturas E/E en la industria automovilística. La arquitectura clásica descentralizada red de a bordo-Architektur está llegando a sus límites debido a su complejidad y a las características de alta velocidad que se exigen. ept ofrece los conectores «conector placa a placa» adecuados para estos retos.

Definición de «red de a bordo»: arquitectura descentralizada, por dominios y por zonas

HPC Bordnetze
Fig. 1: Representación esquemática de las diferentes arquitecturas de la red de ared de a bordo
La arquitectura descentralizada clásica en el sector de la automoción consta de hasta 100 «unidad de control» (unidades de control), a cada una de las cuales se le asigna una función definida: control del motor, airbag, ABS/ESP, ajuste de los asientos, climatización, etc. Cada unidad de control funciona de forma autónoma y se comunica con otras unidades de control a través de pasarelas.  
A lo largo de las últimas décadas, la arquitectura descentralizada ha experimentado un crecimiento histórico; cada nueva funcionalidad se complementaba con un nuevo «unidad de control». Hoy, sin embargo, está llegando a sus límites: el aumento de las funcionalidades incrementa considerablemente el esfuerzo de instalación y cableado dentro del vehículo.
En la arquitectura por dominios, las unidades de control se agrupan en diferentes áreas funcionales. Cada dominio es responsable de un área concreta del vehículo, como, por ejemplo, la propulsión, el infoentretenimiento o la seguridad. El control superior de un dominio lo lleva a cabo un ordenador de alto rendimiento (HPC) independiente. Este coordina las unidades de control dentro de su dominio. En el caso del área funcional de seguridad, se trataría, por ejemplo, de unidades de control para sistemas de asistencia al conductor, ABS/ESP y sistemas de dirección.
En comparación con la arquitectura descentralizada, el menor número de unidades de control instaladas reduce el esfuerzo de cableado e instalación. Por lo tanto, la arquitectura por dominios puede contribuir de manera efectiva a la reducción de costes y peso en comparación con la arquitectura descentralizada. Además, se pueden integrar posteriormente funciones adicionales con un esfuerzo mínimo.
En la arquitectura arquitectura zonal, la estructuración no se basa en los dominios, sino en zonas locales. Así, por ejemplo, dentro de una zona del automóvil se agrupan varias funcionalidades. De este modo, funciones como la propulsión y el infoentretenimiento pueden agruparse y procesarse en un controlador de zona (controlador de zona). El control superior de los distintos controladores de zona lo lleva a cabo un HPC central. La ventaja es evidente: una reducción de las unidades de control y de su cableado de hasta un 50 %.

Requisitos para el HPC y sus conector

Augendiagramm Colibri
Fig. 2: El «diagrama de ojo» permite evaluar la calidad de la señal en una transmisión de datos digitales
Los requisitos que esto plantea a un HPC son considerables: sobre todo, el procesamiento de los datos de imágenes en el ámbito del infoentretenimiento o de los sistemas de cámaras para la conducción autónoma exige una transmisión de datos segura y de alta velocidad con tiempos de latencia reducidos. Al mismo tiempo, bajo ninguna circunstancia debe producirse un fallo en la transmisión de la señal; su fiabilidad debe estar garantizada en todo momento.  

Un alto rendimiento y una transmisión de datos rápida y, sobre todo, fiable —a veces en condiciones ambientales adversas— son, por lo tanto, requisitos que también deben cumplir los conector instalados.

La «legibilidad» de una señal puede ilustrarse mediante el denominado diagrama de ojo. Este indica si una señal transmitida puede asignarse de forma inequívoca a los estados digitales 1 o 0 en el receptor.

Para ello, una señal recorre un trayecto de transmisión definido, durante el cual es captada por un osciloscopio, superpuesta y representada. De este modo, se pueden representar «una encima de otra» todas las posibles curvas de señal. En teoría, las transiciones entre los estados lógicos son infinitamente pronunciadas y las líneas de señal discurren exactamente una encima de otra. Debido a factores de interferencia externos y a alteraciones internas de los pares de señales, el ascenso de la señal se aplana y la amplitud varía. Se forma así la figura de un ojo, que da nombre al diagrama.
Colibri
Fig. 3: El diseño optimizado de los contactos del Colibri® permite una transmisión de datos a alta velocidad con pocas pérdidas.
En el centro del diagrama se aprecia la denominada «máscara de ojo». En esta zona no es posible identificar de forma inequívoca la señal.

Los dos diagramas de ojo muestran la influencia de la longitud de la línea y la impedancia tomando como ejemplo los Colibri-conector de ept en las versiones de 16+ Gbit/s y 10 Gbit/s. El ejemplo ilustra cómo, gracias al perfeccionamiento del diseño de los contactos, se ha podido lograr un aumento significativo de la integridad de la señal (véase la fig. XX). Gracias a una longitud de cable más corta y a una impedancia de 100 Ω, el ojo de la variante de 16+ Gbit/s del Colibri se forma con mayor claridad que en la variante anterior del Colibri de 10 Gbit/s; los pares de señales se pueden interpretar de forma inequívoca.
Burst geschirmt und ungeschirmt Screen
Fig. 4: Interferencias en la señal en un conector apantallado (izquierda) y no apantallado (derecha)
Dado que las señales de alta velocidad son especialmente sensibles a las interferencias electromagnéticas, requieren una protección especial de la señal. Un conector puede actuar tanto como fuente de interferencias como sumidero de las mismas. Por este motivo, se recomienda proteger la señal mediante una placa de apantallamiento para proteger las señales sensibles de influencias externas.
La figura 4 muestra que incluso un pequeño impulso eléctrico puede distorsionar la señal útil. El receptor ya no puede interpretar con claridad los estados digitales de la señal HDMI tras un breve impulso de ráfaga de 0,5 kV, mientras que la transmisión de la señal del conector apantallado sigue siendo estable incluso a 4,4 kV.


Abbildung3
Fig. 5: Conectores (conector) en versión no apantallada (izquierda) y apantallada (derecha)
Con la «inductancia mutua» (LK) como parámetro de CEM, el conector puede describirse analizando las relaciones eléctricas en ambas funciones: fuente y sumidero. Para ello se utiliza la unidad «henry». Esto se aplica tanto a la «inmunidad» (resistencia a las interferencias) como a la «emisión electromagnética» (emisión de interferencias). Si se conocen la tensión inducida (Uind), la tensión del generador (UGen) y la constante del generador (kGen), se puede determinar la inductancia mutua (L) máxima admisible específica para cada aplicación mediante la siguiente fórmula:

LK = Uind / (UGen * kGen)

La «inductancia mutua» (inductancia de acoplamiento) ayuda además al usuario a definir el conector adecuado en cuanto a su compatibilidad electromagnética y a evitar costosas y largas pruebas de ensayo y error en el CEM-Labor. Veamos un ejemplo: para una señal HDMI, se determinó una «inductancia mutua» máxima específica para cada caso de 47 picohenrios (pH) a una tensión de 4,4 kV. Si el valor supera este límite, la señal ya no podrá transmitirse sin interferencias.
Sin embargo, no solo las interferencias electromagnéticas ponen en peligro la transmisión de las señales de alta velocidad. Especialmente en el sector de la automoción, los conector también se ven expuestos repetidamente a condiciones ambientales extremas, como vibraciones y golpes. Para que la transmisión de señales se produzca sin interrupciones incluso en entornos adversos, el conector debe ser especialmente robusto. En este sentido, el diseño de los contactos, el sistema de contactos y la tecnología de conexión desempeñan un papel decisivo.

Factor de influencia: sistema de contacto

Doppelseitiger Federkontakt
Fig. 6: Contacto de resorte de doble cara (contacto hembra) sin (izquierda) y con (derecha) impacto de choque. Diámetro del orificio
Los conectores clásicos de dos piezas (conector) cuentan con un contacto de cuchilla y un contacto hembra de resorte. Sin embargo, en caso de fuertes impactos, la regleta de cuchillas (conector macho) puede separarse de la regleta de resortes (conector hembra). Para evitar que se produzca dicha microcorte, se puede garantizar la redundancia y, por lo tanto, la seguridad del contacto mediante una regleta de resortes de doble cara (conector hembra), ya que, gracias al segundo resorte, la transmisión de la señal queda asegurada en todo momento a través de al menos un punto de contacto (fig. 5).
Schnitt Doppelkontakt
Fig. 7: Una sección transversal del Zero8-conector muestra el sistema de contactos hermafrodita
Por el contrario, los conectores (conector) con el denominado sistema de contactos hermafrodita son aún más robustos. La particularidad radica en que las geometrías de contacto de los pares de conectores, Plug y Socket, son idénticas. Por lo tanto, ambos disponen tanto de un resorte como de una cuchilla. De este modo, cada pin entra en contacto con dos resortes; el Plug y el Socket están entrelazados y no pueden separarse entre sí. Mientras que una regleta de contactos de doble cara (conector hembra) garantiza siempre al menos un punto de contacto bajo carga mecánica, las geometrías entrelazadas de los sistemas de contacto de género neutro aseguran que la transmisión de la señal se realice siempre a través de dos puntos de contacto. Esta elevada redundancia permite, por tanto, una seguridad de contacto máxima (fig. 5).
Meniskusbildung
Fig. 8: Formación uniforme del menisco alrededor del «terminal SMT»
Como técnica de conexión (tecnología de conexión) para lograr una unión duradera entre la placa de circuito impreso y el conector (conector), se recomienda la tecnología de montaje en superficie (SMT). Mediante pasta de soldadura (pasta de soldadura), los conectores se sueldan a las superficies de soldadura definidas de la placa de circuito impreso, los pads de soldadura (pad de soldadura). Solo en el denominado horno de reflujo (horno de reflujo) se funde la soldadura y, a continuación, se endurece. La SMT permite realizar conexiones estables entre el conector y la placa de circuito impreso. Sin embargo, para ello deben cumplirse algunos criterios: en primer lugar, para que un unión soldada cumpla con la norma IPC-A-610, debe respetarse la proporción correcta entre el terminal SMT, el pad de soldadura y la pasta de soldadura. Solo así se establece una conexión de alta calidad que permite una conexión según la clase 3 de la IPC, es decir, apta para su uso en electrónica de alto rendimiento. En esta clase deben descartarse en todo momento los fallos en la transmisión de señales. Una «conexión soldada» óptima se reconoce por la formación uniforme del menisco. El contacto debe estar rodeado por completo por el menisco de soldadura para lograr las mejores fuerzas de retención en la placa de circuito impreso. (Fig. 9).
La coplanaridad de los pies de contacto es un requisito imprescindible para lograr una conexión excelente, la cual se somete a una inspección 100 % automatizada durante el proceso.

Conclusión

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Los avances actuales en el sector de la automoción plantean continuamente nuevos requisitos a los conector instalados. A primera vista, parece que el papel de los conectores instalados pasa a un segundo plano debido a la reducción del número de unidades de control. Sin embargo, al analizarlo más detenidamente, se observa que su papel cobra importancia precisamente debido a este cambio hacia un procesamiento centralizado de datos mediante HPC: la fiabilidad en la transmisión de señales nunca ha sido tan importante como hoy en día.

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