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Evolución de la tecnología automovilística: SDV e interfaces de alta velocidad

conector «board-to-board» en arquitecturas de red de a bordo de automoción

Acompañantes de vuelo de todos los datos

Las modernas redes de a bordo en el sector de la automoción están experimentando una transformación, sobre todo debido a los requisitos que plantean la movilidad eléctrica, la conducción autónoma y el infoentretenimiento 4K-HD. Los conectores «conector placa a placa», gracias a sus características especiales, desempeñan un papel clave a la hora de hacer frente a esta transformación, garantizando altas velocidades de transmisión de datos con tiempos de latencia reducidos. 
Como es sabido, la red eléctrica del vehículo (red de a bordo) es una compleja red de conexiones eléctricas que interconecta todos los componentes eléctricos y electrónicos. Entre ellos se incluyen las unidades de control, los sensores, los actuadores, los sistemas de iluminación, los sistemas de infoentretenimiento y también los conector (conectores).

Las tres grandes tendencias actuales en la industria de la automoción —la conducción automatizada, la conducción eléctrica y la conducción conectada— requieren un cambio fundamental en la arquitectura eléctrico-electrónica (E/E) actual. Y es que las arquitecturas E/E están pasando de una estructura clásica y descentralizada, compuesta por hasta 100 unidades de control, a una arquitectura por dominios, en la que las unidades de control se agrupan en áreas funcionales. Cada dominio cuenta con un ordenador de alto rendimiento (HPC) que se encarga de la coordinación, lo que permite reducir el esfuerzo de cableado e instalación, así como los costes y el peso. Una novedad es la «arquitectura zonal» (arquitectura por zonas) en el vehículo, en la que las funciones se agrupan en un controlador de zona local, lo que reduce el número de unidades de control y el esfuerzo de cableado.

arquitectura descentralizada clásica
arquitectura por dominios
arquitectura zonal

conector en la arquitectura de sistemas de las redes de a bordo

Estos cambios estructurales también modifican los retos a los que se enfrenta un conector «conector placa a placa», que respalda y pone en práctica estas arquitecturas. La tarea de transmitir ahora flujos de datos considerablemente mayores y procesarlos en una unidad de control aún más potente para obtener una visión global modifica significativamente los factores de rendimiento del conector.

La responsabilidad de la transmisión de datos recae también en las distintas tecnologías de transmisión, que deben garantizar el ancho de banda. Entre ellas se incluyen:
  • LIN (Local Interconnect Network) como tecnología muy económica para aplicaciones que no son críticas en materia de seguridad ni de tiempo, como cerraduras, luces o aire acondicionado
  • ; CAN (Controller Area Network) como la tecnología de transmisión más utilizada para el control del motor, la transmisión, el motor de arranque o para sistemas de gestión de la batería
  • FlexRay con un cable de par trenzado para la transmisión de datos en aplicaciones críticas en cuanto a tiempo y/o seguridad, como la dirección o los frenos
  • MOST (Media Oriented System Transport) como cable de fibra óptica para sistemas multimedia y de infoentretenimiento
    • Automotive Single Pair Ethernet (SPE) como tecnología relativamente nueva, cuya aceptación va en aumento debido a su capacidad
  • de ancho de banda. SerDes (Serializer/Deserializer) para transmisiones de datos de gran volumen, ideal para cámaras o pantallas.
A la industria de la automoción le interesa utilizar el menor número posible de tecnologías de transmisión diferentes para mantener baja la complejidad del cableado. En este sentido, el Ethernet para automoción desempeña un papel más importante, aunque también se recurre a CAN (CAN FD y CAN XL), así como a LIN y SerDes. De ello se derivan los requisitos fundamentales para los conector «board-to-board», y la norma LV214 también ofrece información sobre sus características. 

Alta velocidad, protección contra interferencias electromagnéticas (CEM), así como robustez y miniaturización

Bild EMV mit und ohne Schirmung
Comparación entre un conector apantallado (izquierda) y uno sin apantallar (derecha)
Debido al desarrollo de los sensores y a la arquitectura E/E presentada, los volúmenes de datos que se transmiten tienden cada vez más a la alta velocidad, lo que depende principalmente del control de la impedancia del conector. Si esta varía, se producen resonancias que, a su vez, dan lugar a pérdidas en la transmisión de la señal. En este contexto, un conector, debido a su geometría, siempre representa un riesgo potencial de fluctuaciones de impedancia, provocadas, entre otras cosas, por cambios en el material o la geometría. Y es

que la impedancia viene determinada por propiedades inductivas y capacitivas, que dependen del tamaño, la disposición y el diseño de los pines. En este sentido, los cambios en la sección transversal tienen un efecto especialmente negativo, por lo que deben minimizarse en la medida de lo posible. Además, los dieléctricos (sustancias con baja conductividad eléctrica o no conductoras) situados cerca de la ruta de la señal también pueden tener efectos negativos, por lo que la elección del material aislante adecuado es igualmente importante. Por otra parte, también existen influencias debidas a las pérdidas por acoplamiento, es decir, las pérdidas en el punto de contacto entre la cuchilla y el resorte. Por último, pueden producirse fluctuaciones de impedancia debido a elementos conductores salientes que actúan como antenas. Todos estos efectos se resumen en la «pérdida de inserción» (relación entre la señal de salida y la de entrada), también denominada «pérdida de inserción». Además, existe la «pérdida de retorno» (pérdida de retorno), que describe la proporción de la señal reflejada respecto a la señal que se va a transmitir.En lo que respecta a la miniaturización progresiva de los módulos, la protección contra interferencias electromagnéticas (CEM) desempeña un papel especial: las señales de alta frecuencia que se producen en este contexto son especialmente susceptibles a las interferencias causadas por efectos electromagnéticos no deseados. Incluso las interferencias más pequeñas bastan para provocar una distorsión considerable de la transmisión de datos, señales de medición incorrectas de los sensores y órdenes de control inadecuadas, un escenario absolutamente inaceptable para la seguridad.
Un conector apantallado resulta de gran ayuda, ya que, en un conjunto, un conector actúa siempre tanto como sumidero de interferencias como fuente de las mismas. Además, el componente puede verse afectado por otros componentes y, a su vez, ejerce un efecto electromagnético sobre los componentes circundantes. En este caso, el apantallamiento reduce ambos efectos en un factor de entre 100 y 200. 
Doppelseitiger Federkontakt
contacto hembra de doble cara
En cuanto a la robustez: los golpes y las vibraciones ponen en peligro la estabilidad de la transmisión de datos, al igual que las influencias ambientales químicas y térmicas debidas a temperaturas extremas, fuertes fluctuaciones de temperatura, gases nocivos, humedad y suciedad. La superficie de contacto determina de manera decisiva la vida útil del conector, ya que durante el funcionamiento se producen micromovimientos entre las dos partes del conector que, a la larga, provocan un desgaste superficial y, por lo tanto, un aumento de la resistencia de contacto y, en consecuencia, una transmisión de la señal menos eficaz. Un chapado del contacto de alta calidad y duradera ayuda a reducir al mínimo este desgaste superficial.
En el sistema de contactos, una regleta de muelles (conector hembra) de doble cara ofrece un buen rendimiento, ya que garantiza en todo momento un punto de contacto, independientemente de las influencias externas. La robustez aumenta aún más con un sistema de contactos hermafrodita, ya que los contactos se entrelazan al enchufarse, lo que garantiza la máxima seguridad de contacto.
En los conectores de una pieza se prescinde de una zona de contacto vulnerable, lo que proporciona la máxima resistencia frente a las influencias externas. La conexión se realiza mediante la técnica de «tecnología press-fit», en la que se presiona un «pin press-fit» (pin de inserción a presión) en un «orificio metalizado» (agujero pasante) de la placa de circuito impreso, lo que da lugar a soldaduras en frío entre el manguito de cobre y la «zona press-fit» (zona de inserción a presión). De este modo se crea una unión estanca a los gases y sellable con la placa de circuito impreso, que ofrece una tasa de tasa de fallos diez veces mejor que la de los conector soldados de forma automatizada. 

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Un antiguo conector DIN de la serie D con un paso de 5,08 mm y, debajo, el nuevo Zero8 con un paso de 0,8 mm
El espacio de montaje limitado en los vehículos supone una restricción para los sensores y las unidades de control, lo que a su vez obliga a los fabricantes de conector a reducir aún más las dimensiones sin perder rendimiento, o incluso mejorándolo. Esto resulta ideal para la tecnología de montaje en superficie (SMT), ya que, a diferencia de la tecnología press-fit de inserción a presión, permite un paso considerablemente más pequeño, así como un montaje a doble cara de la placa de circuito impreso. 

La tendencia a incorporar cada vez más conectores, y cada vez más pequeños, en los conjuntos tiene como consecuencia que las cadenas de tolerancia se alarguen y que los conector tengan que compensar tolerancias cada vez mayores, tanto durante el montaje como durante el funcionamiento. Para ello ya existen conector capaces de absorber aún mejor los golpes y las vibraciones. 

Tres familias de productos adecuadas de ept

Zero8 Board to Board Connector
Los productos Zero8 ofrecen la máxima escalabilidad con tipos de diseño, alturas de apilamiento y número de polos personalizables, lo que permite distancias entre placas de circuito impreso de 6 a 21 mm y un número de polos variable de 12 a 80. Los conectores son compatibles entre sí y se pueden combinar libremente, con eapantallamiento en uno o ambos lados. La robusta tecnología de conexión ScaleX garantiza un contacto seguro ante golpes y vibraciones, compensa las tolerancias y ofrece protección CEM para una velocidad de transmisión de datos de datos de 16 Gbit/s.

Detalles sobre Zero8
ept Colibri Polzahlen 40 220 rgb
Los productos Colibri son SMT-conector apantallados de dos filas con un paso de 0,5 mm, compatibles con PICMG COM Express®, SFF-SIG CoreExpress® y nano-ETXexpress. Los receptáculos para módulos COM ofrecen 196 pines de señal y 24 pines de tierra, mientras que los Plugs para placas portadoras están disponibles opcionalmente con postes guía, blindaje y fijación SMT. El sistema COM Express Colibri ofrece una excelente integridad de la señal para más de 25 Gbit/s, ideal para aplicaciones de alta velocidad con espacio de montaje limitado.

Detalles sobre Colibri
One27 UEbersicht
Como tercera familia de productos, One27 ofrece conexiones para placas de circuito impreso robustas y compactas en SMT con un paso de 1,27 mm. Admiten distancias entre placas de 8 a 20 mm y están disponibles con entre 12 y 80 contactos, así como en forma de montaje de cables. Son posibles tanto las conexiones paralelas como las acodadas; son especialmente robustas y fáciles de procesar, lo que garantiza un contacto fiable y una gran flexibilidad en la disposición de las placas de circuito impreso.

Detalles sobre One27


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Si miramos hacia el futuro, la conducción autónoma estará estrechamente vinculada al desarrollo de las tecnologías de transferencia de datos y de comunicación. Aspectos clave como la conectividad 5G, la ciberseguridad, la comunicación V2X, así como el edge computing y la tecnología blockchain marcarán de manera decisiva la transmisión de datos, pero lo que es seguro es que seguirá existiendo la coexistencia de redes de a bordo y conectores, lo que en algún momento hará realidad un coche sin volante. 

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