Auton sisäiset sähköverkot
Sähköisen järjestelmän kasvava kuormitus, joka johtuu siirtymästä sähköiseen liikenteeseen, itseajaviin autoihin ja 4K-HD-tarkkuudella varustettuihin infotainment-järjestelmiin, vaatii uusia ajoneuvon E/E-arkkitehtuureja autoteollisuudessa. Perinteinen hajautettu ajoneuvon sähköjärjestelmä-Architektur on saavuttanut rajansa monimutkaisuutensa ja vaadittujen suurten nopeuksien vuoksi. ept tarjoaa näihin haasteisiin sopivat board-to-board-liitin -liittimet.
ajoneuvon sähköjärjestelmä-määritelmä: Hajautettu, toimialue- ja vyöhyke-arkkitehtuuri

Autoteollisuuden perinteinen hajautettu arkkitehtuuri koostuu jopa 100 ohjausyksiköstä (ohjausyksikkö), joista jokaiselle on määritelty oma tehtävänsä: moottorin ohjaus, turvatyyny, ABS / ESP, istuimen säätö, ilmastointi jne. Jokainen ohjausyksikkö toimii itsenäisesti ja kommunikoi muiden ohjausyksiköiden kanssa yhdyskäytävien (Gateways) kautta.
Viime vuosikymmenien aikana hajautettu arkkitehtuuri on kasvanut historiallisen kasvun myötä, ja jokainen uusi toiminto on täydentänyt järjestelmää uudella ohjausyksiköllä (ohjausyksikkö). Nykyään se on kuitenkin saavuttanut rajansa: toimintojen lisääntyminen kasvattaa merkittävästi asennus- ja johdotustarpeita ajoneuvon sisällä.
Aluepohjaisessa arkkitehtuurissa ohjausyksiköt ryhmitellään eri toiminta-alueisiin. Jokainen alue vastaa tietystä ajoneuvon osasta, kuten esimerkiksi voimansiirrosta, infotainment-järjestelmästä tai turvallisuudesta. Alueen ylätason ohjaus hoidetaan erillisellä korkean suorituskyvyn tietokoneella (HPC). Se koordinoi ohjausyksiköitä omalla alueellaan. Turvallisuuden toiminnallisella alueella tämä tarkoittaisi esimerkiksi kuljettajan avustusjärjestelmien, ABS/ESP-järjestelmien ja ohjausjärjestelmien ohjausyksiköitä.
Hajautettuun arkkitehtuuriin verrattuna asennettujen ohjausyksiköiden pienempi määrä vähentää johdotus- ja asennustyötä. Aluearkkitehtuuri voi siten myös tehokkaasti vähentää kustannuksia ja painoa hajautettuun arkkitehtuuriin verrattuna. Lisäksi lisätoimintoja voidaan integroida jälkikäteen vähällä vaivalla.
Aluearkkitehtuurissa (vyöhykearkkitehtuuri) jäsentely ei tapahdu alueiden perusteella, vaan paikallisten vyöhykkeiden mukaan. Näin ollen esimerkiksi auton yhden vyöhykkeen sisällä yhdistetään useita toimintoja. Näin ollen myös toiminnot, kuten voimansiirto ja infotainment, voidaan koota ja käsitellä yhdessä vyöhykeohjaimessa (vyöhykeohjain). Eri vyöhykeohjaimien ylempi ohjaus tapahtuu tällöin keskitetyn HPC:n kautta. Etu on ilmeinen: ohjausyksiköiden ja niiden kaapelointitarpeen väheneminen jopa 50 prosenttia.
Viime vuosikymmenien aikana hajautettu arkkitehtuuri on kasvanut historiallisen kasvun myötä, ja jokainen uusi toiminto on täydentänyt järjestelmää uudella ohjausyksiköllä (ohjausyksikkö). Nykyään se on kuitenkin saavuttanut rajansa: toimintojen lisääntyminen kasvattaa merkittävästi asennus- ja johdotustarpeita ajoneuvon sisällä.
Aluepohjaisessa arkkitehtuurissa ohjausyksiköt ryhmitellään eri toiminta-alueisiin. Jokainen alue vastaa tietystä ajoneuvon osasta, kuten esimerkiksi voimansiirrosta, infotainment-järjestelmästä tai turvallisuudesta. Alueen ylätason ohjaus hoidetaan erillisellä korkean suorituskyvyn tietokoneella (HPC). Se koordinoi ohjausyksiköitä omalla alueellaan. Turvallisuuden toiminnallisella alueella tämä tarkoittaisi esimerkiksi kuljettajan avustusjärjestelmien, ABS/ESP-järjestelmien ja ohjausjärjestelmien ohjausyksiköitä.
Hajautettuun arkkitehtuuriin verrattuna asennettujen ohjausyksiköiden pienempi määrä vähentää johdotus- ja asennustyötä. Aluearkkitehtuuri voi siten myös tehokkaasti vähentää kustannuksia ja painoa hajautettuun arkkitehtuuriin verrattuna. Lisäksi lisätoimintoja voidaan integroida jälkikäteen vähällä vaivalla.
Aluearkkitehtuurissa (vyöhykearkkitehtuuri) jäsentely ei tapahdu alueiden perusteella, vaan paikallisten vyöhykkeiden mukaan. Näin ollen esimerkiksi auton yhden vyöhykkeen sisällä yhdistetään useita toimintoja. Näin ollen myös toiminnot, kuten voimansiirto ja infotainment, voidaan koota ja käsitellä yhdessä vyöhykeohjaimessa (vyöhykeohjain). Eri vyöhykeohjaimien ylempi ohjaus tapahtuu tällöin keskitetyn HPC:n kautta. Etu on ilmeinen: ohjausyksiköiden ja niiden kaapelointitarpeen väheneminen jopa 50 prosenttia.
HPC:lle ja sen liittimille (liitin) asetetut vaatimukset

Tästä HPC:lle aiheutuvat vaatimukset ovat suuret: etenkin kuvantamisdatan käsittely infotainment-alalla tai autonomisen ajamisen kamerajärjestelmissä vaatii turvallista suurinopeuksista tiedonsiirtoa lyhyillä viiveillä. Samalla signaalinsiirron katkeamista ei saa missään olosuhteissa tapahtua – sen luotettavuus on varmistettava joka hetki.
Korkea suorituskyky, nopea ja ennen kaikkea luotettava tiedonsiirto – toisinaan epäsuotuisissakin ympäristöolosuhteissa – ovat siten vaatimuksia, jotka kohdistuvat myös ajoneuvoon asennettuihin liittimiin (liitin).
Signaalin ”luettavuus” voidaan havainnollistaa niin sanottuun silmäkuviolle perustuvalle menetelmälle. Se osoittaa, voidaanko lähetetty signaali vastaanottimessa yksiselitteisesti määrittää digitaalisiksi tiloiksi 1 tai 0.
Tätä varten signaali kulkee määritellyn siirtoreitin läpi, jolloin se tallennetaan oskilloskoopilla, päällekkäistään ja esitetään. Näin kaikki mahdolliset signaalikäyrät voidaan kuvata ”päällekkäin”. Teoriassa loogisten tilojen siirtymät ovat äärettömän jyrkkiä ja signaaliviivat kulkevat täsmälleen päällekkäin. Ulkoisten häiriötekijöiden ja signaaliparien sisäisten häiriöiden vuoksi signaalin nousu tasoittuu ja amplitudin korkeus muuttuu. Tuloksena syntyy silmän muoto, josta kaavio on saanut nimensä.
Korkea suorituskyky, nopea ja ennen kaikkea luotettava tiedonsiirto – toisinaan epäsuotuisissakin ympäristöolosuhteissa – ovat siten vaatimuksia, jotka kohdistuvat myös ajoneuvoon asennettuihin liittimiin (liitin).
Signaalin ”luettavuus” voidaan havainnollistaa niin sanottuun silmäkuviolle perustuvalle menetelmälle. Se osoittaa, voidaanko lähetetty signaali vastaanottimessa yksiselitteisesti määrittää digitaalisiksi tiloiksi 1 tai 0.
Tätä varten signaali kulkee määritellyn siirtoreitin läpi, jolloin se tallennetaan oskilloskoopilla, päällekkäistään ja esitetään. Näin kaikki mahdolliset signaalikäyrät voidaan kuvata ”päällekkäin”. Teoriassa loogisten tilojen siirtymät ovat äärettömän jyrkkiä ja signaaliviivat kulkevat täsmälleen päällekkäin. Ulkoisten häiriötekijöiden ja signaaliparien sisäisten häiriöiden vuoksi signaalin nousu tasoittuu ja amplitudin korkeus muuttuu. Tuloksena syntyy silmän muoto, josta kaavio on saanut nimensä.

Kaavion keskellä näkyy niin sanottu Eye Mask. Signaalin yksiselitteinen tunnistaminen ei ole mahdollista tällä alueella.
Nämä kaksi silmäkuviota esittävät johtimen pituuden ja impedanssin vaikutuksia Colibri-liitin-liittimien esimerkillä, jotka ovat saatavilla 16 + Gbit/s- ja 10 Gbit/s-versioina. Esimerkki havainnollistaa, kuinka kontaktisuunnittelun jatkokehityksellä on voitu saavuttaa merkittävä parannus signaalin eheys (ks. kuva XX). Lyhyemmän johtopituuden ja 100 Ω:n impedanssin ansiosta Colibri-liittimen 16+ Gbit/s-version silmämuoto muodostuu selkeämmin kuin edeltäjämallissa, jossa nopeus oli 10 Gbit/s – signaaliparit ovat yksiselitteisesti tulkittavissa.
Nämä kaksi silmäkuviota esittävät johtimen pituuden ja impedanssin vaikutuksia Colibri-liitin-liittimien esimerkillä, jotka ovat saatavilla 16 + Gbit/s- ja 10 Gbit/s-versioina. Esimerkki havainnollistaa, kuinka kontaktisuunnittelun jatkokehityksellä on voitu saavuttaa merkittävä parannus signaalin eheys (ks. kuva XX). Lyhyemmän johtopituuden ja 100 Ω:n impedanssin ansiosta Colibri-liittimen 16+ Gbit/s-version silmämuoto muodostuu selkeämmin kuin edeltäjämallissa, jossa nopeus oli 10 Gbit/s – signaaliparit ovat yksiselitteisesti tulkittavissa.

Koska suurinopeussignaalit ovat erityisen alttiita sähkömagneettisille häiriöille, ne vaativat erityistä signaalinsuojausta. Liitin (liitin) voi toimia tässä yhteydessä sekä häiriölähteenä että häiriön vaimentimena. Tästä syystä suositellaan signaalinsuojausta suojalevyn (suojalevy) avulla, jotta herkät signaalit voidaan suojata ulkoisilta vaikutuksilta.
Kuvasta 4 käy ilmi, että jo pieni sähköinen impulssi voi vääristää hyödyllistä signaalia. Vastaanotin ei pysty enää tulkitsemaan HDMI-signaalin digitaalisia tiloja yksiselitteisesti jo lyhyen, 0,5 kV:n purskeimpulssin jälkeen, kun taas suojatun liittimen signaalinsiirto pysyy vakaana jopa 4,4 kV:n jännitteellä.
Kuvasta 4 käy ilmi, että jo pieni sähköinen impulssi voi vääristää hyödyllistä signaalia. Vastaanotin ei pysty enää tulkitsemaan HDMI-signaalin digitaalisia tiloja yksiselitteisesti jo lyhyen, 0,5 kV:n purskeimpulssin jälkeen, kun taas suojatun liittimen signaalinsiirto pysyy vakaana jopa 4,4 kV:n jännitteellä.

keskinäisinduktanssi LK:ta EMC-parametrina käyttämällä liitintä voidaan kuvata tarkastelemalla sähköisiä olosuhteita molemmissa toiminnoissa – lähteenä ja nieluna. Tässä yhteydessä käytetään yksikköä henry. Tämä pätee sekä häiriönkestävyyteen (häiriönsieto) että häiriölähetykseen (häiriöpäästö). Jos indusoitu jännite (Uind), generaattorin jännite (UGen) sekä generaattorivakio (kGen) ovat tiedossa, sovellukselle voidaan määrittää kunkin tapauksen spesifinen suurin sallittu kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi) (L) seuraavan kaavan avulla:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi) auttaa käyttäjää myös määrittämään sopivan liittimen (liitin) sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) kannalta ja välttämään kalliita ja aikaa vieviä kokeilu- ja virhetestauksia EMC-Laborissa. Tästä esimerkki: HDMI-signaalille määritettiin jännitteellä 4,4 kV tapauskohtainen suurin sallittu keskinäisinduktanssi 47 picohenryä (pH). Jos arvo ylittää tämän rajan, signaalia ei voida enää siirtää häiriöttä.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi) auttaa käyttäjää myös määrittämään sopivan liittimen (liitin) sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) kannalta ja välttämään kalliita ja aikaa vieviä kokeilu- ja virhetestauksia EMC-Laborissa. Tästä esimerkki: HDMI-signaalille määritettiin jännitteellä 4,4 kV tapauskohtainen suurin sallittu keskinäisinduktanssi 47 picohenryä (pH). Jos arvo ylittää tämän rajan, signaalia ei voida enää siirtää häiriöttä.
Mutta ei vain sähkömagneettiset vaikutukset vaaranna suurinopeuksisten signaalien siirtoa. Erityisesti autoteollisuudessa liittimet (liitin) altistuvat toistuvasti äärimmäisille ympäristöolosuhteille, kuten tärinälle ja iskuille. Jotta signaalinsiirto sujuisi keskeytyksettä myös ankarissa olosuhteissa, liittimen on oltava erityisen kestävä. Tässä yhteydessä ratkaisevassa roolissa ovat ennen kaikkea kontaktien muotoilu, kontaktijärjestelmä ja liitäntätekniikka (liitäntätekniikka).
Vaikuttava tekijä: yhteysjärjestelmä

Perinteisissä kaksiosaisissa liittimissä (liitin) on veitsi- ja jousikontakti (naaraskosketin). Voimakkaan iskun vaikutuksesta veitsiliitin (urosliitin) voi kuitenkin irrota jousiliittimestä (naarasliitin). Jotta tällaista kontaktikatkosta (kosketuskatkos) ei syntyisi, voidaan varmistaa redundanssi ja siten kontaktivarmuus kaksipuolisen jousiliittimen avulla, sillä toisen jousen ansiosta signaalinsiirto on taattu koko ajan vähintään yhden kontaktipisteen kautta (kuva 5).

Vieläkin kestävämpiä ovat sen sijaan liittimet (liitin), joissa on niin sanottu ”hermafrodiittinen” kosketinjärjestelmä. Niiden erityispiirre on liittimien parien, pistokkeen (Plug) ja pistorasian (Socket), identtiset kosketinmuodot. Molemmissa on siis sekä jousi että terä. Näin jokainen nasta on kosketuksessa kahden jousen kanssa, ja pistoke ja pistorasia ovat toisiinsa kietoutuneina eivätkä voi irrota toisistaan. Kun kaksipuolinen liitinrivi (naarasliitin) takaa mekaanisen kuormituksen alaisena aina vähintään yhden kosketuspisteen, sukupuolineutraaleissa liitäinjärjestelmissä toisiinsa kietoutuneet geometriat varmistavat, että signaalinsiirto tapahtuu aina kahden kosketuspisteen kautta. Tämä korkea redundanssi mahdollistaa siten maksimaalisen kosketusvarmuuden (kuva 5).

liitäntätekniikka ina kestävään liitokseen piirilevyn ja liitin välillä suositellaan pintaliitostekniikkaa (SMT). juotospasta avulla liitin juotetaan piirilevyn määriteltyihin juotospintoihin, juotosalueille. Vasta niin sanotussa reflow-uuni:ssä juote sulatetaan ja sen jälkeen kovetetaan. SMT:n avulla voidaan toteuttaa vakaita liitoksia liittimen ja piirilevyn välillä. Tätä varten on kuitenkin täytettävä muutamia kriteerejä: Ensinnäkin standardin IPC-A-610 mukaisenjuotosliitos:n saavuttamiseksi on noudatettava oikeaa suhdetta juotosjalka, juotosalue ja juotospasta välillä. Vain näin saadaan aikaan korkealaatuinen liitos, joka mahdollistaa IPC-luokan 3 mukaisen liitännän ja sopii siten käytettäväksi suurtehoelektroniikassa. Tässä luokassa signaalinsiirron häiriöt on suljettava pois kaikkina aikoina. Optimaalinen juotosliitos tunnistetaan tasaisesta meniskin muodostumisesta. Kosketin on oltava ympäriinsä juotosmeniskin ympäröimä, jotta saavutetaan parhaat pitovoimat piirilevyllä. (Kuva 9).
Kosketuspisteiden koplanaarisuus on erinomaisen liitoksen edellytys, ja se tarkastetaan prosessin aikana 100-prosenttisesti automatisoidulla tarkastuksella.
Yhteenveto

Autoteollisuuden nykyiset kehityssuuntaukset asettavat jatkuvasti uusia vaatimuksia asennetuille liittimille (liitin). Aluksi näyttää siltä, että asennettujen liittimien rooli siirtyisi taka-alalle ohjausyksiköiden määrän vähenemisen vuoksi. Tarkemmin tarkasteltuna käy kuitenkin ilmi, että juuri tämän muutoksen myötä niiden merkitys kasvaa keskeisessä HPC-pohjaisessa tietojenkäsittelyssä: signaalinsiirron luotettavuus ei ole koskaan ollut yhtä tärkeää kuin nykyään.

