Napájecí silové a datové kabely v palubní síti budoucnosti – společně, nebo odděleně?

Jaké jsou možnosti pro zajištění napájecího napětí a přenosu dat mezi řídicí jednotkou a senzorem ve vozidle, výhody a nevýhody hybridních řešení a které řešení je pro tu kterou aplikaci nejvhodnější

Budoucnost automobilového průmyslu jednoznačně směřuje k „autonomnímu řízení“. Aby bylo možné bezpečně přepravit cestujícího z bodu A do bodu B, vyžaduje autonomní řízení ve vozidle množství senzorů, jako jsou kamery, radary nebo LiDAR. To znamená obrovské množství dat, která je třeba přenášet, fúzovat a vyhodnocovat prostřednictvím vysoce účinných datových kabelů. V této souvislosti by každopádně měly být položeny otázky: Jak dostanu správné napětí s dostatečným proudem z řídicí jednotky (ECU) do senzoru a jak zajistím bezpečný a správný přenos dat?

Právě tato zajímavá témata chceme v tomto článku osvětlit. Zde se dozvíte, jaké možnosti jsou k dispozici pro zajištění napájecího napětí i přenosu dat mezi řídicí jednotkou a senzorem, jaké jsou výhody a nevýhody hybridních konektorů a co společnost MD dělá, aby se připravila na budoucí vývoj.

Jaké jsou možnosti zajištění napájecího napětí a přenosu dat mezi řídicí jednotkou a senzorem ve vozidle?

Ve vozidlech se používají různá řešení:

• Power over Coax (PoC)
• Power over Dataline (PoDL)
• Napájení a data zvlášť.

V této kapitole se blíže podíváme na jednotlivá řešení a na jejich výhody a nevýhody.

Power over Coax (PoC)

Mezi senzory, jako jsou kamery, a řídicí jednotkou, tak zvanou ECU (Electronic Control Unit) se vysílají a přijímají tři typy signálů:

• příkazy (ECU à kamera)
• obrazová data (kamera à ECU)
• napájecí napětí (ECU à kamera)

Původně byly k přenosu těchto signálů zapotřebí dva nebo tři páry kabelů. Velkou nevýhodou byla vysoká hmotnost a vysoké náklady.

Díky technologii Power over Coax (PoC) je nyní možné přenášet všechny tyto signály po jediném koaxiálním kabelu. Nelze přehlédnout výhody, jako jsou nízká hmotnost, nízká náročnost zpracování a montáže, jakož i nižší náklady. To, co se zdá být ideálním řešením, má však i své nevýhody. Koaxiální kabel musí zvládat tři zcela odlišné charakteristiky signálu a dva směry signálu.

Příkazy z řídicí jednotky do senzoru (např. kamery) probíhají na frekvencích do 4 MHz, zatímco obrazová data mají být přenášena v rozsahu 700 MHz v opačném směru. Kromě toho je třeba zajistit stálé stejnosměrné napájení.

Pro zajištění integrity signálu je nutné na obou stranách přenosu (senzor a ECU) instalovat pasivní vysoce výkonné filtry. Tyto filtry umožňují průchod stejnosměrného proudu napájecího napětí téměř beze ztrát, zatímco datové signály přímého a zpětného kanálu jsou zeslabeny, aby se odfiltrovaly rušivé vlivy, například odrazy.

Filtr na straně ECU slučuje stejnosměrné napětí s video daty a komunikačními daty. Úkolem filtru na straně senzoru je oddělit stejnosměrné napětí od video dat a komunikačních dat, aby bylo zajištěno stabilní napájení senzoru stejnosměrným proudem.

Přenos PoC s filtrem

Navrhnout filtr není jednoduchý úkol, protože je třeba vzít v úvahu mnoho aspektů, jako jsou elektrické vlastnosti pasivních součástek a filtru, vliv filtru na výkon a kvalitu signálu sériového přenosu RF dat, úbytky napětí na vedení, ale také dodržování předpisů EMC. Vzhledem k malým průřezům kabelů je omezeno i maximální proudové zatížení a délka kabelu. Při použití PoC (Power over Coax) je typické napětí PoC mezi 5 a 36 V. Proud musí být nižší než jmenovitý proud feritů nebo cívek použitých ve filtru (např. 150 mA). Proto například společnost Texas Instruments doporučuje napětí PoC vyšší než 10 V, aby bylo možné dosáhnout nejvyššího možného výkonu při nízkém proudu. (výkon [W] = proud [A] * napětí [V]) 

Power over Dataline (PoDL)

Na rozdíl od PoC (Power over Coax) se pro přenos dat a proudu používají diferenciální páry kabelu UTP (Unshielded Twisted Pair) nebo STP (Shielded Twisted Pair). Přenosová rychlost určuje, zda se použije stíněný nebo nestíněný kabel. Ethernetové kabely 10Base-T1 nebo 100Base-T1 jsou obvykle nestíněné; pro vyšší rychlosti se obvykle používají stíněné kabely.

PoDL

Maximální délka kabelu závisí na přenosové rychlosti:

• 10Base- T1: až 1000 m
• 2,5, 5, 10 Gbit/s MultiGiG: max. 15 m

Jednou z výhod Power over Dataline (PoDL) se stíněnými kabely oproti Power over Coax (PoC) je EMC (elektromagnetická kompatibilita). U PoC funguje stínění také jako proudový vodič (zpětné vedení od spotřebiče).  Díky protékajícímu proudu se stínění chová téměř jako anténa, která může „vyzařovat“.

U PoDL může stínění díky kroucené dvojlince fungovat jako „skutečné“ stínění.
Data a napájení se přenášejí výhradně přes dva datové kabely. Na stínění neproudí žádný proud. Rušení, jako je EMC záření způsobené změnami vysoké/nízké úrovně datových signálů, zůstává uvnitř kabelu a není vyzařováno do okolí.

Podobně jako u PoC je však proud nebo maximální užitečný výkon, který může být senzoru k dispozici, velmi omezený. Podle normy IEEE 802.3bu je limit dosažen při výkonu 50 W. Pro udržení co nejnižších proudů lze použít napětí až 60 V.

Napájení a data zvlášť

4 pol. Minikoaxiály + MQS

Jednou z největších slabin PoC (Power over Coax) a PoDL (Power over Dataline) je omezený výkon, který je spotřebičům k dispozici.

Senzory jako LiDAR a radar jsou však stále výkonnější. Měřicí vzdálenosti jsou stále větší, rozlišení (počet pixelů) stále větší, což se v konečném důsledku odráží v rostoucí spotřebě energie. PoC a PoDL zde narážejí na své limity.
Z tohoto důvodu se nyní stále častěji používá třetí řešení, kdy jsou datové a napájecí kabely vedeny odděleně.

Tento typ přenosu dat se obvykle realizuje pomocí různých kontaktů spojených v pouzdře, například HSD (High Speed Data) se dvěma MQS (Micro Quadlok System). Signály jsou přenášeny prostřednictvím kabelů HSD a senzory jsou napájeny prostřednictvím slaněných vodičů MQS.
Tyto hybridní konektory však mají i své nevýhody.

Výhody a nevýhody hybridních konektorů:

Výhody hybridních konektorů spočívají ve flexibilnější volbě průřezu napájecích kabelů a ve vyšších proudech, které mohou být spotřebiteli k dispozici díky vyšším průřezům.

Další výhodou je, že se datový signál nemusí kombinovat s napájecím napětím přes drahé filtry a na druhé straně opět oddělovat.

Ale i zde lze samozřejmě nalézt nevýhody. Při výrobě takových kabelů je mnohem náročnější konfekce. Plně automatické stroje musí být schopny propojit kontakty MQS s různými průřezy napájecích kabelů. Proto jsou zapotřebí různé krimpovací nástroje. To však také výrazně zvyšuje nároky na testování a ověřování různých vodičů. 

Kabelová konfekce budoucnosti – co dělá společnost MD, aby byla v budoucnu konkurenceschopná

Společnost MD provozuje ve svém sídle nedaleko Mnichova vlastní závod na výrobu zařízení. Zkušení konstruktéři a inženýři zde vyvíjejí, navrhují a také konstruují velmi složité výrobní systémy. To je optimální základ pro maximální flexibilitu, aby bylo možné rychle reagovat na nové požadavky v oblasti palubní sítě.

Díky našemu produktovému portfoliu jsme velmi silným a kompetentním partnerem, který se zaměřuje na výrobu vysoce kvalitních datových kabelů.
Jako nezávislý výrobce jsme specialisté na výrobu hybridních datových kabelů a konektorů. MD ELEKTRONIK nabízí správné řešení pro koaxiální produkty, UTP (nestíněná kroucená dvojlinka) a STP (stíněná kroucená dvojlinka) i pro optický přenos dat. 

Shrnutí a závěr:

Aktuálně existují tři přístupy k současnému přenosu energie a dat mezi senzory a aktory ve vozidle:

• PoC (Power over Coax)
• PoDL (Power over Dataline)
• Napájení a data zvlášť.

PoC (Power over Coax) a PoDL (Power over Dataline) umožňují přenos napájecího napětí po datových linkách, ale jsou velmi omezené z hlediska maximálního proudu kvůli malé tloušťce kabelu.

Třetí možností je napájení a data vést odděleně. Právě v tom spočívá velká výhoda hybridního řešení, kdy jsou datové kabely a napájení vedeny samostatně, ale společně zapojeny do systému konektorů. Nevýhodou tohoto řešení jsou vyšší nároky na výrobu.

Nelze učinit obecný závěr o tom, která ze tří možností je nejlepším řešením, protože to do značné míry závisí na konkrétní aplikaci. Každý výrobce OEM má svou vlastní filozofii, jak by mělo být napájení v palubní síti navrženo.

U senzorů s vysokou spotřebou energie se často dává přednost hybridnímu řešení, protože PoC a PoDL jsou zde značně omezeny průřezem kabelu.

Pokud však mají být spotřebiče, jako jsou kamery, dodávány s nízkou spotřebou energie a mají být doprovázeny jednodušší montáží a nižší hmotností, budou technologie PoC a PoDL i nadále hrát významnou roli.