Jak lze v palubní síti vozidla přenášet data a energii co nejefektivněji? 

Efektivní přenos dat je předpokladem pro tvorbu palubních sítí budoucnosti. Této efektivity by měla pomoci dosáhnout multifunkční řešení. Které konektorové systémy nabízejí možnost přenosu energie a dat prostřednictvím stejné fyzické vrstvy? Které čipové sady jsou k dispozici nebo ve vývoji? Na tyto a další otázky najdete odpovědi níže…

Přenos energie a dat – aktuální systémy

V současné době existují tři způsoby realizace vysokofrekvenčního přenosu dat ve vozidle současně s napájením aktuátorů a senzorů.

V případě Power over Coax se datový signál i kladné napájecí napětí (např. +12 V) přenášejí vnitřním vodičem koaxiálního kabelu. Opletení vnějšího vodiče slouží jako uzemnění (0 V) a stínění. Nevýhodou této metody je nízká proudová zatížitelnost vnitřního vodiče (cca 100–200 mA) a nižší schopnost stínění vnějšího vodiče, který zároveň slouží jako zpětný vodič.

U metody Power over Dataline se data a napájecí napětí přenášejí po datových vodičích krouceného páru. Jeden vodič slouží jako kladný pól (např. +12 V), druhý jako uzemnění (0 V). U stíněného kabelu (STP – Shielded Twisted Pair) lze vnější vodič považovat za čisté stínění, protože veškerý tok proudu probíhá výhradně vnitřním vodičem. Proudová zatížitelnost je zde rovněž omezená, protože vnitřní vodiče mají malý průřez (obvykle 0,13–0,14 mm²).

V některých případech jsou datové a napájecí kabely vedeny odděleně. Kromě koaxiálních nebo kroucených párových spojů lze ke konektorům připojit takzvané kontakty MQS pro napájecí napětí. Příkladem je 4pólový mini-koaxiální konektor se 2 kontakty MQS. Toto řešení má tu výhodu, že datový signál se nemusí vést napájecím napětím přes drahé filtry a na druhé straně opět oddělovat. Mimo to lze přenášet i vyšší proudy. Náročnost montáže je však podstatně vyšší, protože různé průřezy kabelů vyžadují různé krimpovací nástroje, což znamená značné dodatečné nároky ve výrobě. Významně se také zvyšuje náročnost testování a ověřování různých kabelů, a také prostor potřebný pro skladování různých typů kabelů.

Každá z těchto metod má své výhody a nevýhody. Zatímco Power over Coax a Power over Dataline nabízejí kompaktní a cenově výhodné řešení pro současný přenos dat a napájení, oddělené vedení datových a napájecích kabelů je náročnější i nákladnější. Nabízí však vyšší proudovou zatížitelnost a flexibilitu. Výběr vhodné metody závisí do značné míry na konkrétních požadavcích a rámcových podmínkách příslušného použití.

Které čipové sady dokážou efektivně přenášet data i energii?

V oblasti elektroniky vozidel existuje několik specializovaných čipových sad, které byly vyvinuty pro efektivní přenos dat i energie. Tyto čipové sady podporují technologie jako Power over Coax (PoC), Power over Dataline (PoDL) a řešení založená na USB.

Power over Coax (PoC)

Tyto druhy čipových sad jsou vybaveny serializátorem, a používají se například v kamerových systémech k přenosu dat i proudu prostřednictvím jediného koaxiálního kabelu. Podporovány jsou zde datové rychlosti v rozsahu gigabitů a multigigabitů.

Power over Dataline (PoDL)

Tyto čipové sady byly speciálně vyvinuty pro přenos dat a proudu přes automobilový ethernetový kabel, a používají kroucený datový kabel (UTP, STP). To zajišťuje vysokou proudovou zatížitelnost, takže čipové sady PoDL jsou ideální pro propojené komponenty vozidel.

Řešení založená na USB

Řadič rozbočovače USB 3.2 podporuje vysoké rychlosti přenosu dat až do 5 Gbit/s (USB 3.2 Gen1) nebo 10 Gbit/s (USB 3.2 Gen2), a současně umožňuje napájení zařízení USB pomocí funkce Power Delivery až do 100 W (20 V / 5 A) – ideální pro infotainment systém a další aplikace ve vozidlech náročné na data.

Tyto pokročilé čipové sady poskytují potřebnou technologii pro efektivní přenos dat i proudu prostřednictvím různých typů kabelů, jako je C-KLIC, ve vozidle. Výběr vhodné čipové sady závisí na konkrétních požadavcích a oblastech použití, ale dostupnost těchto řešení otevírá nové možnosti pro design moderních palubních sítí.

C-KLIC jako univerzální řešení přenosu 

C-KLIC je multifunkční konektorový systém od MD ELEKTRONIK, který je technicky založen na rozhraní USB-C přizpůsobeném pro automobilové aplikace. Kombinuje širokou škálu možností a výhod. Systémem C-CLICK se otevřela zcela nová cesta. USB-C je univerzální rozhraní, které kromě USB 2.0 (480 Mbit/s) až USB 3.2 Gen2 (10 Gbit/s) podporuje i řadu alternativních protokolů. Nejznámějšími zástupci jsou zde jistě PCIe, HDMI a DisplayPort. C-KLIC však nabízí mnohem více než „jen“ podporu protokolů USB. Všech 24 pinů rozhraní lze plně využít díky typickému automobilovému zajištění a všem standardním kódům, které znemožňují překroucení při zapojování. Díky čtyřem volně dostupným diferencovaným vysokorychlostním datovým párům MultiGiG (každý 10 Gbit/s) v kombinaci s vysokorychlostními datovými kabely (480 Mbit/s) a napájecími kabely až pro 5 A při 20 V (max. 100 W) lze snadno realizovat i mnoho alternativních vysokorychlostních aplikací.

V úvahu přicházejí například aplikace vícekanálového Ethernetu, nebo různé vlastní protokoly, při nichž jsou připojená zařízení rovněž napájena. Možnosti to nabízí nekonečné možnosti pro:

Zjednodušení kabeláže:

Pomocí C-KLIC lze do jediného konektorového systému integrovat různé datové a napájecí kabely, což snižuje složitost kabeláže.

Úspora hmotnosti a místa:

Snížením počtu potřebných kabelů a konektorů lze snížit celkovou hmotnost vozidla, což je výhodné zejména u elektrických vozidel. Díky výkonnosti konektoru C-KLIC je také zapotřebí méně místa na řídicích jednotkách.

Méně testů:

Jelikož je třeba testovat méně jednotlivých komponent, snižuje se náročnost testování, což šetří čas i náklady.

Nižší náklady:

Integrací několika funkcí do jednoho konektorového systému lze snížit náklady na materiál i výrobu. Dále je pro celkovou montáž vozidla zapotřebí méně párování. To zjednodušuje proces instalace a šetří čas i peníze.

Méně zdrojů chyb:

Méně propojování a párování znamená také méně potenciálních zdrojů chyb, což zvyšuje spolehlivost systému.

Více než USB – jeden konektor, jeden kabel – 6 funkcí

C-KLIC spojuje funkce, které dříve vyžadovaly až 6 samostatných kabelů.

Například v případě „All in one“ (4 x MultiGiG data, 2 x High-Speed data a napájení) jsou vyžadovány v současnosti zavedené technologie:

➜ 4x MultiGiG – data (10 Gbit/s), např.: H-MTD nebo GEMnet *¹        

➜ 2x High Speed data (480 Mbit/s), např.: HSD *²        

➜ Řídicí signály + napájení, např.: Kontakty HSD + MQS *²

Popsané vlastnosti přinášejí obrovské výhody pro použití jako datový kabel ve vozidlech:

➜ Párování a pokládání pouze jednoho kabelu namísto 6 různých kabelů

• Úspora času při pokládce a instalaci
• Úspora nákladů (materiál a čas)
• Úspora hmotnosti
• Minimalizace zdrojů chyb

➜ Výrazná úspora místa na řídicí jednotce (cca 60 % – 1 PCB konektor místo až 6 kusů)

➜ Volné použití stávajících datových a napájecích kabelů pro proprietární rozhraní.

Použití v uživatelském rozhraní – méně odpadního tepla, menší nároky na prostor

Pokud se podíváme na vlastnosti C-KLIC v oblasti napájení, existují zřejmé další výhody tohoto rozhraní. V následujícím případě použití rozhraní USB-C v přístrojové desce se používá takzvaná technologie Power Delivery, která může poskytovat maximální nabíjecí výkon 100 W (5 A @ 20 V). Data zde lze navíc přenášet rychlostí až 480 Mbit/s (USB2.0). Za velmi nízkým úbytkem napětí (Ground Drop) po celé délce kabelu (80 mV/m) stojí speciálně vyvinutý kabel.

Díky této struktuře je možné odstranit nabíjecí elektroniku, která způsobuje vysoké ztráty energie (teplo), ze zákaznického rozhraní a přemístit ji do řídicí jednotky v bližší pozici.

Řídicí jednotky mají obecně velmi dobré řízení teploty a vynikající odvod tepla.

Z toho vyplývají dvě hlavní výhody:

➜ Menší nároky na prostor pro uživatelské rozhraní v přístrojové desce (úspora až 60 %)

➜ Na uživatelském rozhraní nevzniká teplo decentralizovanou nabíjecí elektronikou

*¹ H-MTD a HSD jsou produkty firmy Rosenberger
*² GEMNet je produkt firmy TE