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

Conectores placa a placa en arquitecturas de sistemas eléctricos de automoción

Acompañantes de vuelo de todos los datos

Los sistemas eléctricos de a bordo de los automóviles están experimentando una transformación, sobre todo debido a las exigencias que plantean la movilidad eléctrica, la conducción autónoma y los sistemas de infoentretenimiento 4K HD. Los conectores de placa a placa, gracias a sus características específicas, desempeñan un papel fundamental a la hora de hacer frente a esta transformación, ya que garantizan altas velocidades de transmisión de datos con tiempos de latencia reducidos. 
Como es sabido, la red eléctrica de un vehículo 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 conectores.

Las tres grandes tendencias actuales en la industria automovilística —la conducción automatizada, eléctrica y conectada— requieren un cambio fundamental en la arquitectura eléctrica y electrónica (E/E) actual. Las arquitecturas de la red de a bordo están evolucionando de una estructura clásica y descentralizada, compuesta por hasta 100 unidades de control, a una arquitectura por dominios, en la que dichas unidades 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 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 de dominios
Arquitectura por zonas

Conectores en la arquitectura de los sistemas de cableado de a bordo

Estos cambios estructurales también modifican los retos a los que se enfrenta un conector placa a placa, que soporta y pone en práctica estas arquitecturas. La tarea de transmitir flujos de datos ahora mucho mayores y procesarlos en una unidad de control aún más potente para obtener una visión global modifica considerablemente 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 automovilística le interesa utilizar el menor número posible de tecnologías de transmisión diferentes para mantener baja la complejidad del cableado. En este sentido, el Ethernet automovilístico desempeña un papel cada vez 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 conectores placa a placa, aunque la norma LV214 también ofrece información sobre sus características. 

Alta velocidad, protección contra interferencias electromagnéticas, 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 alcanzar altas velocidades, 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.

Esto se debe a 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 o nula conductividad eléctrica) 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. Además, 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, las fluctuaciones de impedancia pueden ser provocadas por elementos conductores salientes que actúan como antenas. Todos estos efectos se resumen como pérdida de inserción (relación entre la señal saliente y la entrante), también denominada atenuación de inserción. A esto se suma la pérdida de retorno (Return Loss), 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 (EMC) desempeña un papel especial: las señales de alta frecuencia que se producen en este contexto son especialmente susceptibles a sufrir interferencias por efectos electromagnéticos no deseados. Incluso interferencias mínimas bastan para provocar una distorsión considerable de la transmisión de datos, señales de medición incorrectas de los sensores y comandos de control inadecuados: un escenario absolutamente inaceptable para la seguridad.
Un conector apantallado ayuda, ya que, en un módulo, un conector actúa siempre como sumidero de interferencias y como fuente de interferencias. Además, el componente puede verse afectado por otros componentes y, a su vez, ejercer 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 de resorte 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 los factores ambientales químicos y térmicos, como las temperaturas extremas, las fuertes fluctuaciones de temperatura, los gases nocivos, la humedad y la suciedad. La superficie de contacto determina en gran medida 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 de la superficie y, por lo tanto, un aumento de la resistencia de contacto y, en consecuencia, una transmisión de la señal menos eficaz. Un recubrimiento de contacto de alta calidad y duradero ayuda a reducir al mínimo este desgaste de la superficie.
En el sistema de contactos, una regleta de resortes de doble cara ofrece un buen rendimiento, ya que garantiza un punto de contacto en todo momento, independientemente de las influencias externas. El sistema se vuelve aún más robusto con un sistema de contactos «neutro en cuanto al género», ya que los contactos se entrelazan al enchufarse, lo que garantiza una seguridad de contacto máxima.
En los conectores de una sola pieza se prescinde de una zona de contacto vulnerable, lo que garantiza la máxima resistencia frente a las influencias externas. La conexión se realiza mediante la técnica de inserción a presión, en la que se presiona un pin de inserción en un orificio pasante de la placa de circuito impreso, lo que da lugar a soldaduras en frío entre el manguito de cobre y la zona de inserción. De este modo se crea una unión estanca al gas y moldeable con la placa de circuito impreso, que ofrece una tasa de fallos diez veces menor que los conectores soldados automáticamente. 

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Un conector DIN antiguo 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 automóviles supone una restricción para los sensores y las unidades de control, lo que a su vez obliga a los conectores a reducir aún más sus dimensiones sin perder rendimiento, o incluso mejorándolo. Esto resulta ideal para la tecnología de montaje en superficie (SMT), ya que, a diferencia de la técnica de inserción a presión, permite un paso de pines considerablemente menor, así como el montaje por ambas caras de la placa de circuito impreso. 

La tendencia a integrar un número creciente de conectores de menores dimensiones en los ensamblajes provoca que las cadenas de tolerancia se alarguen, por lo que los conectores deben compensar tolerancias cada vez mayores tanto durante el montaje como en funcionamiento. Para ello ya existen conectores 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 diseños, alturas de apilamiento y número de polos personalizables, lo que permite distancias entre placas de circuito impreso de entre 6 y 21 mm y un número de polos variable de entre 12 y 80. Los conectores son compatibles entre sí y se pueden combinar libremente, con apantallamiento 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 contra interferencias electromagnéticas (EMC) para una velocidad de transmisión de datos de 16 Gbit/s.

Detalles sobre Zero8
ept Colibri Polzahlen 40 220 rgb
Los productos Colibri® son conectores SMT blindados de dos filas con 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 conectores para placas portadoras están disponibles opcionalmente con postes guía, blindaje y fijación SMT. El sistema COM Express Colibri® ofrece una excelente integridad de señal para más de 25 Gbit/s, lo que lo hace 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 tecnología 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 versión de cable ensamblado. Son posibles tanto las conexiones paralelas como las en ángulo recto; 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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