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Evolução na tecnologia automóvel: SDV e interfaces de alta velocidade

Conectores placa a placa em arquiteturas de redes de bordo automóveis

Comissários de bordo de todas as classes

As redes de bordo modernas nos automóveis estão a sofrer uma transformação, sobretudo devido aos requisitos impostos pela mobilidade elétrica, pela condução autónoma e pelos sistemas de infoentretenimento 4K HD. Os conectores placa a placa, com as suas características específicas, desempenham um papel fundamental na resposta a esta transformação, garantindo elevadas taxas de transmissão de dados com tempos de latência reduzidos. 
Como é sabido, a rede de bordo de um veículo é uma rede complexa de ligações elétricas que interliga todos os componentes elétricos e eletrónicos. Entre estes contam-se unidades de controlo, sensores, atuadores, sistemas de iluminação, sistemas de infoentretenimento e também conectores.

As três grandes tendências atuais na indústria automóvel – a condução automatizada, elétrica e conectada – exigem uma mudança fundamental na atual arquitetura elétrico-eletrónica (E/E). Isto porque as arquiteturas da rede de bordo estão a passar de uma estrutura clássica e descentralizada, composta por até 100 unidades de controlo, para uma arquitetura de domínios, na qual as unidades de controlo são agrupadas em áreas funcionais. Cada domínio possui um computador de alto desempenho (HPC) de coordenação, o que reduz o esforço de cablagem e instalação, bem como os custos e o peso. Uma novidade é a arquitetura por zonas no veículo, na qual as funções são agrupadas num controlador de zona local, o que reduz o número de unidades de controlo e o esforço de cablagem.

arquitetura descentralizada clássica
Arquitetura de domínios
Arquitetura por zonas

Conectores na arquitetura de sistemas das redes de bordo

Essas mudanças estruturais alteram também os desafios que se colocam a um conector placa a placa, que suporta e implementa estas arquiteturas. A tarefa de transmitir fluxos de dados agora significativamente maiores e de os processar numa unidade de controlo ainda mais potente para obter uma visão global altera significativamente os fatores de desempenho do conector.

A responsabilidade pela transmissão de dados recai também sobre as diversas tecnologias de transmissão, que devem garantir a largura de banda. Entre elas contam-se:
  • LIN (Local Interconnect Network) como tecnologia muito económica para aplicações não relacionadas com a segurança e sem exigências de tempo, tais como fechaduras, luzes ou ar condicionado
  • CAN (Controller Area Network) como a tecnologia de transmissão mais utilizada para o controlo do motor, da caixa de velocidades, do motor de arranque ou para sistemas de gestão da bateria
  • FlexRay com um cabo de par trançado para transmissão de dados em aplicações críticas em termos de tempo e/ou segurança, como a direção ou os travões
  • MOST (Media Oriented System Transport) como cabo de fibra ótica para sistemas multimédia e de infoentretenimento
  • Automotive Single Pair Ethernet (SPE) como tecnologia relativamente nova, cuja aceitação está a aumentar devido à sua
  • capacidade de largura de banda SerDes (Serializer/Deserializer) para transmissões de dados de alto débito, ideal para câmaras ou ecrãs
É do interesse da indústria automóvel utilizar o menor número possível de tecnologias de transmissão diferentes, a fim de manter baixa a complexidade da cablagem. Neste sentido, a Automotive Ethernet desempenha um papel mais importante, embora também se recorra ao CAN (CAN FD e CAN XL), bem como ao LIN e ao SerDes. A partir daí, é possível deduzir os requisitos centrais para os conectores placa a placa, sendo que a norma LV214 também fornece informações sobre as características. 

Alta velocidade, proteção contra interferências eletromagnéticas, robustez e miniaturização

Bild EMV mit und ohne Schirmung
Comparação entre um conector blindado (à esquerda) e um conector não blindado (à direita)
Devido ao desenvolvimento dos sensores e à arquitetura E/E apresentada, os volumes de dados a transmitir tendem cada vez mais para a alta velocidade, o que depende principalmente do controlo da impedância do conector. Se esta oscilar, ocorrem ressonâncias que, por sua vez, resultam em perdas na transmissão do sinal. Nesse contexto, um conector representa sempre, devido à sua geometria, um risco potencial de variações de impedância, causadas, entre outros fatores, por alterações no material ou na geometria.

Isto porque a impedância é determinada por propriedades indutivas e capacitivas, que dependem do tamanho, da disposição e do design dos pinos. Neste contexto, as alterações na secção transversal têm um impacto negativo, razão pela qual devem ser minimizadas tanto quanto possível. Além disso, os dielétricos (substâncias eletricamente fracas ou não condutoras) na proximidade do caminho do sinal também podem ter efeitos negativos, pelo que a escolha do material isolante adequado é igualmente importante. Além disso, existem também influências decorrentes de perdas de acoplamento, ou seja, as perdas no ponto de contacto entre a lâmina e a mola. Por último, podem ocorrer variações de impedância causadas por elementos condutores salientes, que atuam como antenas. Todos estes efeitos são resumidos como perda de inserção (relação entre o sinal de saída e o sinal de entrada), também denominada atenuação de inserção. Além disso, existe ainda a perda de retorno (Return Loss), que descreve a proporção do sinal refletido em relação ao sinal a ser transmitido.No que diz respeito à miniaturização progressiva dos componentes, a proteção EMC assume um papel especial: pois os sinais de alta frequência que aqui ocorrem são particularmente suscetíveis a perturbações causadas por efeitos eletromagnéticos indesejados. Mesmo as mais pequenas perturbações são suficientes para causar uma distorção significativa na transmissão de dados, sinais de medição incorretos dos sensores e comandos de controlo inadequados – um cenário absolutamente inaceitável em termos de segurança.
Um conector blindado ajuda, pois num conjunto um conector atua sempre tanto como sumidouro de interferências como fonte de interferências. Além disso, o componente pode ser perturbado por outros componentes e, por sua vez, exercer um efeito eletromagnético nos componentes circundantes. A blindagem reduz aqui ambos os efeitos em cerca de 100 a 200 vezes. 
Doppelseitiger Federkontakt
contato de mola de dupla face
No que diz respeito à robustez: os choques e as vibrações comprometem a estabilidade da transmissão de dados, tal como as influências ambientais químicas e térmicas decorrentes de temperaturas extremas, fortes variações de temperatura, gases nocivos, humidade e sujidade. A superfície de contacto determina de forma decisiva a vida útil do conector, pois durante o funcionamento ocorrem micromovimentos entre as duas partes do conector que, a longo prazo, provocam desgaste da superfície e, consequentemente, um aumento da resistência de contacto e, por fim, uma transmissão de sinal menos eficaz. Um revestimento de contacto de alta qualidade e duradouro ajuda a reduzir ao mínimo esse desgaste da superfície.
No sistema de contactos, uma régua de molas de dupla face presta um bom serviço, pois garante sempre um ponto de contacto, independentemente de influências externas. Torna-se ainda mais robusto com um sistema de contactos «neutro em termos de género», pois os contactos entrelaçam-se uns nos outros ao serem encaixados, garantindo assim a máxima segurança de contacto.
Nos conectores de peça única, elimina-se uma área de contacto vulnerável, o que proporciona a máxima resistência a influências externas. A ligação é efetuada através da técnica de inserção por pressão, na qual um pino de inserção é pressionado num orifício com contato passante na placa de circuito, o que resulta em soldaduras a frio entre a manga de cobre e a zona de inserção. Desta forma, cria-se uma ligação estanque ao gás e moldável com a placa de circuito, que oferece uma taxa de falha dez vezes inferior à dos conectores soldados automaticamente. 

Groessenvergleich
Uma ficha DIN antiga da série D com passo de 5,08 mm e, por baixo, a nova Zero8 com passo de 0,8 mm
Devido ao espaço de montagem limitado nos veículos automóveis, há pouca margem para sensores e unidades de controlo, o que, por sua vez, implica que os conectores tenham de reduzir ainda mais as suas dimensões, mantendo o mesmo desempenho ou até melhorando-o. Esta situação é ideal para a tecnologia de montagem em superfície (SMT), pois, ao contrário da técnica de inserção por pressão, permite um passo significativamente menor, bem como a montagem em ambos os lados da placa de circuito impresso. 

A tendência para instalar cada vez mais conectores e cada vez mais pequenos nos conjuntos tem como consequência que as cadeias de tolerância se tornam mais longas e que os conectores têm de compensar tolerâncias cada vez maiores, tanto na montagem como durante o funcionamento. Para tal, já existem conectores capazes de absorver ainda melhor os choques e as vibrações. 

Três famílias de produtos adequadas da ept

Zero8 Board to Board Connector
Os produtos Zero8 oferecem a máxima escalabilidade com formatos, alturas de empilhamento e número de pólos personalizáveis, permitindo distâncias entre placas de circuito impresso de 6 a 21 mm e um número variável de pólos de 12 a 80. Os conectores são compatíveis entre si e podem ser combinados livremente, com blindagem num ou em ambos os lados. A robusta tecnologia de ligação ScaleX garante um contacto seguro em caso de choques e vibrações, compensa as tolerâncias e oferece proteção EMC para uma taxa de transmissão de dados de 16 Gbit/s.

Detalhes sobre o Zero8
ept Colibri Polzahlen 40 220 rgb
Os produtos Colibri são conectores SMT blindados de duas filas com passo de 0,5 mm, compatíveis com PICMG COM Express®, SFF-SIG CoreExpress® e nano-ETXexpress. As tomadas para módulos COM dispõem de 196 pinos de sinal e 24 pinos de terra, enquanto as fichas para placas de suporte estão disponíveis opcionalmente com pinos-guia, blindagem e fixação SMT. O sistema COM Express Colibri oferece uma excelente integridade de sinal para mais de 25 Gbit/s, sendo ideal para aplicações de alta velocidade com espaço de montagem limitado.

Detalhes sobre o Colibri
One27 UEbersicht
Como terceira família de produtos, a One27 oferece ligações para placas de circuito impresso robustas e compactas em SMT, com um passo de 1,27 mm. Suportam distâncias entre placas de circuito impresso de 8 a 20 mm e estão disponíveis com 12 a 80 contactos, bem como na versão com cabos pré-montados. São possíveis ligações tanto paralelas como em ângulo reto; são particularmente robustas e fáceis de processar, garantindo um contacto fiável e uma elevada flexibilidade na disposição das placas de circuito impresso.

Detalhes sobre a One27


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Olhando para o futuro, a condução autónoma estará intimamente ligada ao desenvolvimento das tecnologias de transferência de dados e de comunicação. Aspetos fundamentais como a conectividade 5G, a cibersegurança, a comunicação V2X, bem como a computação de ponta e a tecnologia blockchain irão marcar significativamente a transmissão de dados, mas o que permanecerá certo é a coexistência de redes de bordo e conectores, que, um dia, tornarão realidade um carro sem volante. 

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