¿Cómo se pueden transmitir datos y potencia de la forma más eficiente posible en la red de a bordo del vehículo? 

La transmisión de datos eficiente es un requisito para las redes de a bordo del futuro, y las soluciones multifunción pretenden ayudar a alcanzar esta eficiencia. ¿Qué sistemas de conectores ofrecen la posibilidad de transmitir energía y datos a través de la misma capa física? ¿Qué conjuntos de chips están disponibles o en desarrollo? A continuación daremos respuesta a estas preguntas y otras más.

Transmisión de energía y datos: sistemas actuales

Hoy en día existen tres enfoques para llevar a cabo la transmisión de datos a alta frecuencia en el vehículo al mismo tiempo que la alimentación eléctrica de actuadores y sensores.

En Power over Coax se transfiere tanto la señal de datos como la tensión de alimentación positiva (p. ej., +12 V) a través del conductor interior del cable coaxial. El trenzado del conductor exterior sirve de masa (0 V) y de apantallamiento. Los inconvenientes de este proceso son la escasa capacidad de carga de corriente del conductor interior (aprox. 100-200 mA) y la reducida capacidad del apantallamiento del conductor exterior, que al mismo tiempo sirve como conductor de retorno.

En Power over Dataline, los datos y la tensión eléctrica se transmiten a través de los cables de datos del cable de par trenzado. Un hilo actúa como polo positivo (p. ej., +12 V) y el otro como masa (0 V). En un cable apantallado (STP: Shielded Twisted Pair), el conductor exterior puede considerarse un mero apantallamiento, ya que el flujo de corriente total se produce exclusivamente a través del conductor interior. En este caso, la capacidad de transporte de corriente es limitada, ya que los conductores interiores tienen una sección pequeña (con frecuencia 0,13-0,14 mm²).

En algunos casos, los cables de datos y de suministro van por separado. En los conectores, además de las conexiones para Coax o Twisted-Pair, también pueden instalarse contactos MQS para el suministro de tensión. Un ejemplo sería un conector Mini Coax de 4 polos con 2 contactos MQS. Esta solución ofrece la ventaja de que la señal de datos no tiene que juntarse con el suministro de tensión mediante costosos filtros, para volver a separarse por el otro lado. También es posible transmitir corrientes más elevadas. Sin embargo, el esfuerzo de fabricación es claramente mayor, ya que las diferentes secciones de los cables requieren distintas herramientas de crimpado, lo cual supone un gasto adicional considerable. El esfuerzo de comprobación y validación de los distintos conductores también aumenta notablemente, al igual que el espacio necesario para almacenar los diferentes tipos de conductores.

Cada uno de estos procedimientos tiene sus ventajas y sus inconvenientes. Mientras que Power over Coax y Power over Dataline son una solución compacta y económica para la transmisión simultánea de datos y electricidad, la conducción separada de los cables de datos y de alimentación requiere un mayor esfuerzo, pero también ofrece una mayor capacidad de transporte de corriente y una mayor flexibilidad. La elección del método adecuado depende considerablemente de los requisitos específicos y las condiciones marco de la aplicación correspondiente.

¿Qué conjuntos de chips son capaces de transmitir datos y potencia de forma eficiente?

En el ámbito de la electrónica del automóvil existen varios conjuntos de chips especializados que han sido desarrollados para una transmisión eficiente de datos y de potencia. Estos conjuntos de chips son compatibles con tecnologías como Power over Coax (PoC), Power over Dataline (PoDL) y soluciones basadas en USB.

Power over Coax (PoC)

Este tipo de conjuntos de chips cuenta con un serializador y se utilizan, p. ej., en sistemas de cámaras para transmitir tanto datos como electricidad a través de un único cable coaxial. Soportan velocidades de transmisión de datos en los rangos de Gigabits y Multi-Gig.

Power over Dataline (PoDL)

Estos conjuntos de chips han sido desarrollados especialmente para la transmisión de datos y electricidad a través de cables Automotive Ethernet, y utilizan cables de datos trenzados (UTP, STP). Esto permite una gran capacidad de transporte de corriente, por lo que los conjuntos de chips PoDL son ideales para los componentes interconectados de los vehículos.

Soluciones basadas en USB

Un controlador Hub USB 3.2 soporta velocidades de transmisión de datos elevadas de hasta 5 Gbit/s (USB 3.2 Gen1) o de 10 Gbit/s (USB 3.2 Gen2) y permite al mismo tiempo el suministro eléctrico de dispositivos USB con Power Delivery de hasta 100 W (20 V/5 A), por lo que resulta ideal para los sistemas de Infotainment y otras aplicaciones con un gran consumo de datos en el vehículo.

Estos conjuntos de chips avanzados ofrecen la tecnología necesaria para transmitir eficientemente tanto datos como electricidad en el vehículo a través de distintos tipos de cables, como por ejemplo, C-KLIC. La elección del conjunto de chips adecuado depende de los requisitos y los ámbitos de aplicación específicos, pero la disponibilidad de estas soluciones brinda nuevas posibilidades para el diseño de las redes de a bordo modernas.

C-KLIC, una solución de transmisión universal

C-KLIC es un sistema de conexión multifuncional de MD ELEKTRONIK que se basa en una interfaz USB-C adaptada técnicamente a las aplicaciones del automóvil y reúne una gran cantidad de posibilidades y ventajas. Con C-KLIC se han recorrido caminos totalmente nuevos. USB-C es una interfaz universal que, además de USB 2.0 (480 Mbit/s) hasta USB 3.2 Gen2 (10 Gbit/s), también es compatible con una gran variedad de protocolos alternativos. Seguramente, PCIe, HDMI y DisplayPort son los ejemplos más conocidos. Sin embargo, C-KLIC ofrece mucho más que «solo» la compatibilidad con los protocolos USB: gracias a su enclavamiento característico de la automoción y a todas las codificaciones habituales que hacen imposible insertar el conector al revés, se pueden utilizar por completo los 24 pines de la interfaz. Con los cuatro pares de datos diferenciales de alta velocidad MultiGig (de 10 Gbit/s cada uno), que se encuentran libremente disponibles, combinados con cables de datos de alta velocidad (480 Mbit/s) y cables de alimentación de hasta 5 A con 20 V (máx. 100 W), también se pueden llevar a cabo sin problema muchas aplicaciones alternativas de alta velocidad.

Aquí es posible pensar, p. ej., en aplicaciones de Ethernet Multilane o diversos protocolos propietarios específicos de los clientes en los que los dispositivos conectados también reciben suministro eléctrico. Las posibilidades son prácticamente ilimitadas:

Simplificación del cableado:

Con C-KLIC pueden integrarse distintos cables de datos y de potencia en un único sistema de conexión, lo cual reduce la complejidad del cableado.

Reducción del peso y el espacio:

Al reducir el número de cables y conectores necesarios, es posible disminuir el peso total del vehículo, lo cual resulta especialmente ventajoso en los vehículos eléctricos. Además, el gran rendimiento de C-Klic requiere menos espacio necesario en las unidades de control.

Menos pruebas:

Como hay que probar menos componentes individuales, también se reduce el esfuerzo de comprobación, ahorrando tiempo y costes.

Menos costes:

Con la integración de varias funciones en un sistema de conexión es posible disminuir los costes de material y de fabricación. Además, en el montaje total del vehículo son necesarios menos procesos de conexión. Esto simplifica el proceso de instalación y ahorra tiempo y dinero.

Reducción de las fuentes de error:

Menos conexiones y procesos de conexión suponen también menos fuentes potenciales de error, lo cual aumenta la fiabilidad del sistema.

Más que USB: un conector, un cable, 6 funciones

C-KLIC aúna funciones para las que hasta ahora eran necesarios hasta 6 cables individuales.

En la ampliación completa «All in one» (4 MultiGiG datos, 2 datos de alta velocidad y alimentación eléctrica), con las tecnologías establecidas hasta ahora se requieren, por ejemplo:

➜ 4 cables MultiGiG – datos (10 Gbit/s), p. ej.: H-MTD o GEMnet *¹     

➜ 2 cables de datos de alta velocidad (480 Mbit/s), p. ej.: HSD *²         

➜ Señales de control + alimentación, p. ej.: HSD + contactos MQS *²

Las características descritas ofrecen inmensas ventajas para el uso como cable de datos en el vehículo:

➜ Solo hay que insertar y tender un cable, en lugar de 6 diferentes

• Ahorro de tiempo en el tablero de montaje y en la instalación
• Ahorro de costes (material y tiempo)
• Reducción del peso
• Minimización de las fuentes de error

➜ Enorme ahorro de espacio en la unidad de control (aprox. 60 % – 1 conector PCB en lugar de hasta 6)

➜ Libre uso de los cables de datos y alimentación existentes para interfaces propietarias.

Caso de aplicación de interfaz de usuario: menos calor, menos espacio necesario

Si se observan las propiedades de C-KLIC en el ámbito del suministro de tensión, aparecen nuevas ventajas de esta interfaz. En el siguiente caso de aplicación de una interfaz USB-C en el cuadro de instrumentos se utiliza lo que se denomina tecnología Power Delivery, que puede proporcionar una potencia de carga máxima de 100 W (5 A @ 20 V). Además, también es posible transmitir datos con hasta 480 Mbit/s (USB2.0). Este cable especialmente desarrollado permite una caída de tensión muy baja (Ground Drop) a lo largo de toda su longitud (80 mV/m).

Debido a este conjunto de características, es posible eliminar de la interfaz del cliente el sistema electrónico de carga, que genera una gran pérdida (calor), y trasladarlo a una unidad de control cercana.

Generalmente, las unidades de control cuentan con una muy buena gestión de la temperatura y una excelente disipación térmica.

Esto, a su vez, ofrece dos ventajas fundamentales:

➜ Menos espacio de la interfaz del usuario en el cuadro de instrumentos (reducción de hasta el 60 %)

➜ Ninguna producción de calor en la User Interface gracias a que el sistema electrónico de carga está descentralizado

*¹ H-MTD y HSD son productos de la marca Rosenberger
*² GEMNet es un producto de la marca TE