Как данните и мощността могат да се пренасят възможно най-ефективно в бордовата мрежа на автомобила? 

Ефективният пренос на данни е изискване за бордовите електрически системи на бъдещето, а многофункционалните решения трябва да помогнат за постигането на тази ефективност. Кои конекторни системи предлагат възможността за пренос на енергия и данни през един и същи физически слой? Кои чипсети са налични или в процес на разработка? На тези и други въпроси ще намерите отговор по-долу…

Пренос на енергия и данни – актуални системи

Понастоящем има три подхода за прилагане на високочестотен пренос на данни в автомобила едновременно с електрозахранването на изпълнителни механизми и сензорите.

При Power over Coax както сигналът за данни, така и положителното захранващо напрежение (напр. +12 V) се пренасят чрез вътрешния проводник на коаксиалния кабел. Външната проводникова оплетка служи като маса (0 V) и екранировка. Недостатъците на този процес са ниското токово натоварване на вътрешния проводник (ок. 100 – 200 mA) и намаленият капацитет на екранировката на външния проводник, който служи също и като обратен проводник.

При Power over Dataline данните и захранващото напрежение се предават по проводниците за данни на Twisted Pair кабела. Едното жило служи като положителен полюс (напр. +12 V), другото като маса (0 V). При екраниран кабел (STP – Shielded Twisted Pair) външният проводник може да се разглежда като чисто екраниране, тъй като целият електропоток преминава изключително през вътрешния проводник. Тук също капацитетът на пренос на тока е ограничен, тъй като вътрешните проводници имат малко напречно сечение (обикновено 0,13 – 0,14 mm²).

В някои случаи проводниците за данни и захранване са отделни. В допълнение към коаксиалните или Twisted-Pair конектори, на щекерните съединители могат да бъдат поставени т. нар. MQS контакти за захранващото напрежение. Пример за това е 4-пиновият мини-коаксиален щекерен съединител с 2 MQS контакта. Това решение има предимството, че сигналът за данни не трябва да се комбинира със захранващото напрежение с помощта на скъпи филтри и след това да се разделя отново от другата страна. Освен това могат да се пренасят по-високи токове. Работата по конфекционирането обаче е значително по-голяма, тъй като различните напречни сечения на кабелите изискват различни инструменти за кримпване, което означава значителна допълнителна работа при производството. Работата по тестването и валидирането на различните кабели също се увеличава значително, както и пространството, необходимо за съхранението на различните видове кабели.

Всеки от тези процеси има своите предимства и недостатъци. Докато Power over Coax и Power over Dataline предлагат компактно и рентабилно решение за едновременно предаване на данни и мощност, отделните проводници за данни и захранване изискват повече усилия, но предлагат по-висок капацитет на електропроводимост и по-голяма гъвкавост. Изборът на подходящ метод зависи до голяма степен от специфичните изисквания и рамковите условия на съответното приложение.

Кои чипсети могат да пренасят данни и енергия ефективно?

В областта на автомобилната електроника има няколко специализирани чипсета, които са разработени за ефективния пренос на данни и мощност. Тези чипсети поддържат технологии като Power over Coax (PoC), Power over Dataline (PoDL) и USB-базирани решения.

Power over Coax (PoC)

Този тип чипсети има сериализатор и се използва, например, в системи с камери за пренос както на данни, така и на електричество по един коаксиален кабел. Тук се поддържат скорости на пренос на данни в гигабитовия и мултигигабитовия диапазон.

Power over Dataline (PoDL)

Тези чипсети са специално проектирани за преноса на данни и електричество по автомобилни Ethernet кабели и използват усукани кабели за данни (UTP, STP). Това гарантира висок капацитет на електропроводимост, което прави PoDL чипсетите идеални за мрежови автомобилни компоненти.

USB базирани решения

Контролерът за USB 3.2 хъб поддържа високи скорости на пренос на данни до 5 Gbit/s (USB 3.2 Gen1) или 10 Gbit/s (USB 3.2 Gen2) и в същото време позволява захранването на USB устройства с Power Delivery до 100 W (20V/5A) – Идеален за информационно-развлекателни системи и други приложения с интензивно използване на данни в автомобили.

Тези усъвършенствани чипсети осигуряват необходимата технология за ефективен пренос както на данни, така и на електричество в автомобила чрез различни видове кабели, като напр. C-KLIC. Изборът на подходящ чипсет зависи от конкретните изисквания и области на приложение, но наличието на тези решения разкрива нови възможности за проектиране на модерни бордови мрежи.

C-KLIC като универсално решение за пренос

C-KLIC е многофункционална конекторна система на MD ELEKTRONIK, която е технически базирана на USB-C интерфейс, адаптиран за автомобилни приложения, и съчетава различни опции и предимства. С C-KLIC бяха прокарани напълно нови пътища. USB-C е универсален интерфейс, който поддържа различни алтернативни протоколи в допълнение към USB 2.0 (480 Mbit/s) до USB 3.2 Gen2 (10 Gbit/s). PCIe, HDMI и DisplayPort със сигурност са най-известните представители тук. C-KLIC обаче предлага много повече от „просто“ поддръжка за USB протоколи. Благодарение на типичното автомобилно заключване и всички обичайни кодировки, които правят невъзможна размяната при включване, всичките 24 пина на интерфейса могат да се използват напълно. С четирите свободно достъпни диференциални MultiGiG-Highspeed двойки за данни (10 Gbit/s всяка), комбинирани с високоскоростни проводници за данни (480 Mbit/s) и захранващи проводници за до 5 A при 20 V (макс. 100 W) много алтернативни високоскоростни приложения също могат да бъдат внедрени без никакви проблеми.

Например, тук са възможни Multilane-Ethernet приложения или различни специфични за клиента патентовани протоколи, при които свързаните устройства се захранват допълнително с напрежение. Граници за възможностите не се поставят:

Опростяване на окабеляването:

С C-KLIC различни проводници за данни и мощност могат да бъдат интегрирани в една конекторна система, намалявайки сложността на окабеляването.

Спестяване на тегло и пространство:

Чрез намаляване на броя на необходимите кабели и конектори общото тегло на автомобила може да бъде намалено, което е особено полезно при електрическите превозни средства. В допълнение, производителността на C-Klic гарантира, че е необходимо по-малко място за контролерите.

По-малко тестове:

Тъй като трябва да се тестват по-малко отделни компоненти, усилията за тестване са намалени, което спестява време и пари.

По-ниски разходи:

Чрез интегрирането на множество функции в една конекторна система разходите за материали и производство могат да бъдат намалени. Освен това са необходими по-малко процеси на включване по време на цялостния монтаж на автомобила. Това опростява процеса на инсталиране и спестява време и пари.

Намаляване на източниците на грешки:

По-малкото връзки и процеси на включване също означават и по-малко потенциални източници на грешки, което повишава надеждността на системата.

Повече от USB – един щепсел, един кабел – 6 функции

C-KLIC комбинира функции, които преди това са изисквали до 6 отделни проводника.

В пълната конфигурация „All-in-one“ (4 бр. MultiGiG данни, 2 бр. високоскоростни данни и захранване) имате нужда, например, с утвърдените към момента технологии, от:

➜ 4 бр. MultiGiG – данни (10 Gbit/s), напр.: H-MTD или GEMnet *¹            

➜ 2 бр. високоскоростни данни (480 Mbit/s), напр.: HSD *²          

➜ Управляващи сигнали + Захранване, напр.: HSD + MQS-контакти*²

Описаните свойства носят огромни предимства за използването като проводник за данни в автомобила:

➜ Включване и полагане само на един кабел вместо до 6 различни

• Спестяване на време за проектиране и при монтажа
• Спестяване на разходи (материали и време)
• Спестяване на тегло
• Минимизиране на източниците на грешки

➜ Огромнo спестяванe на място върху контролера (ок. 60% – 1 PCB щекер вместо до 6)

➜ Свободно използване на съществуващите проводници за данни и захранване за проприетарни интерфейси.

Вариант на употреба в потребителски интерфейс – по-малко отпадна топлина, по-малко необходимо място

Ако разгледате свойствата на C-KLIC в областта на захранването с напрежение, допълнителните предимства на този интерфейс стават очевидни. В следващия вариант на употреба на USB-C интерфейс в таблото се използва така наречената технология Power Delivery, която може да осигури максимална зарядна мощност от 100 W (5 A @ 20 V). В допълнение тук могат да се пренасят данни със скорост до 480 Mbit/s (USB2.0). Специално разработеният кабел позволява много нисък спад на напрежението (Ground Drop) по цялата дължина на кабела (80 mV/m).

Благодарение на тази констелация е възможно да се премахне зарядната електроника, която причинява големи загуби на мощност (топлина), от клиентския интерфейс и да се премести към близко разположен контролер.

Контролерите по правило имат много добро управление на температурата и много добро отвеждане на топлината.

Това, от своя страна, води до две основни предимства:

➜ Малка потребност от пространство на потребителския интерфейс в арматурното табло (спестяване до 60%)

➜ Без генериране на топлина при потребителския интерфейс благодарение на децентрализираната зарядна електроника

*¹ H-MTD и HSD са продукти на фирма Rosenberger
*² GEMNet е продукт на фирма TE