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Evoluzione nella tecnologia automobilistica: SDV e interfacce ad alta velocità

Connettori board-to-board nelle architetture dei sistemi elettrici automobilistici

Assistenti di volo di tutte le compagnie aeree

I moderni sistemi elettrici di bordo delle automobili stanno subendo una trasformazione, in particolare a causa delle esigenze poste dalla mobilità elettrica, dalla guida autonoma e dall'infotainment 4K HD. I connettori board-to-board, grazie alle loro caratteristiche specifiche, svolgono un ruolo fondamentale nell'affrontare questa trasformazione, garantendo elevate velocità di trasmissione dati con tempi di latenza ridotti. 
Come è noto, l'impianto elettrico di bordo di un veicolo è una complessa rete di collegamenti elettrici che interconnette tutti i componenti elettrici ed elettronici. Tra questi figurano centraline, sensori, attuatori, sistemi di illuminazione, sistemi di infotainment e anche connettori.

Le tre grandi tendenze attuali nell'industria automobilistica – la guida automatizzata, elettrica e connessa – richiedono un cambiamento radicale dell'attuale architettura elettrico-elettronica (E/E). Infatti, le architetture dell’impianto elettrico di bordo stanno passando da una struttura classica e decentralizzata, composta da un massimo di 100 centraline, a un’architettura a domini, in cui le centraline sono raggruppate in aree funzionali. Ogni dominio dispone di un computer ad alte prestazioni (HPC) di coordinamento, in modo da ridurre lo sforzo di cablaggio e installazione, nonché i costi e il peso. Una novità è rappresentata dall'architettura a zone nel veicolo, in cui le funzioni sono raggruppate in un controller di zona locale, riducendo così il numero di centraline e lo sforzo di cablaggio.

architettura decentralizzata classica
Architettura dei domini
Architettura a zone

Connettori nell'architettura dei sistemi delle reti di bordo

Tali cambiamenti strutturali modificano anche le sfide che deve affrontare un connettore board-to-board, chiamato a supportare e implementare queste architetture. Il compito di trasmettere flussi di dati ora notevolmente più grandi e di elaborarli in un quadro d'insieme all'interno di una centralina ancora più potente modifica in modo significativo i fattori prestazionali del connettore.

La responsabilità della trasmissione dei dati ricade anche sulle diverse tecnologie di trasmissione, che devono garantire la larghezza di banda. Tra queste figurano:
  • LIN (Local Interconnect Network) come tecnologia molto economica per applicazioni non rilevanti per la sicurezza e non sensibili al tempo, quali serrature, luci o climatizzatori
  • CAN (Controller Area Network) come tecnologia di trasmissione più utilizzata per il controllo del motore, del cambio, del motorino di avviamento o per i sistemi di gestione della batteria
  • FlexRay con un cavo a doppino intrecciato per la trasmissione dei dati per applicazioni critiche in termini di tempo e/o sicurezza, come lo sterzo o i freni
  • MOST (Media Oriented System Transport) come cavo in fibra ottica per sistemi multimediali e di infotainment
  • Automotive Single Pair Ethernet (SPE) come tecnologia relativamente nuova, la cui accettazione è in aumento grazie alla
  • capacità di banda SerDes (Serializer/Deserializer) per trasmissioni di dati ad alta velocità, ideale per telecamere o display
È nell'interesse dell'industria automobilistica utilizzare il minor numero possibile di tecnologie di trasmissione diverse, al fine di ridurre al minimo la complessità del cablaggio. In questo senso, l'Automotive Ethernet riveste un ruolo sempre più importante, sebbene si faccia ricorso anche a CAN (CAN FD e CAN XL), LIN e SerDes. Da ciò si possono dedurre i requisiti fondamentali per i connettori board-to-board, mentre anche la norma LV214 fornisce indicazioni sulle caratteristiche. 

Alta velocità, protezione EMC, robustezza e miniaturizzazione

Bild EMV mit und ohne Schirmung
Confronto tra un connettore schermato (a sinistra) e uno non schermato (a destra)
A causa dello sviluppo dei sensori e dell'architettura E/E presentata, i volumi di dati da trasmettere tendono sempre più verso l'alta velocità, che dipende principalmente dal controllo dell'impedenza del connettore. Se questa oscilla, si verificano risonanze che a loro volta causano perdite nella trasmissione del segnale. A causa della sua geometria, un connettore rappresenta sempre un potenziale rischio di fluttuazioni di impedenza, causate, tra l'altro, da cambiamenti nei materiali o nella geometria.

L'impedenza è infatti determinata dalle proprietà induttive e capacitive, che dipendono dalle dimensioni, dalla disposizione e dal design dei pin. In questo contesto, sono soprattutto le variazioni della sezione trasversale ad avere un effetto negativo, motivo per cui devono essere ridotte al minimo. Inoltre, anche i dielettrici (sostanze elettricamente deboli o non conduttrici) in prossimità del percorso del segnale possono avere effetti negativi, motivo per cui la scelta del materiale isolante corretto è altrettanto importante. Inoltre, si registrano perdite di accoppiamento, ovvero perdite nel punto di contatto tra lama e molla. Infine, le fluttuazioni di impedenza possono essere indotte da elementi conduttori sporgenti che fungono da antenna. Tutti questi effetti sono raggruppati sotto il termine di Insertion Loss (rapporto tra segnale in uscita e segnale in ingresso), detta anche attenuazione di inserzione. A ciò si aggiunge la perdita di ritorno (Return Loss), che descrive la percentuale del segnale di ritorno rispetto a quello da trasmettere.Per quanto riguarda la progressiva miniaturizzazione dei componenti, la protezione EMC riveste un ruolo particolare: infatti, i segnali ad alta frequenza che si verificano in questo contesto sono particolarmente sensibili alle interferenze causate da effetti elettromagnetici indesiderati. Anche le più piccole interferenze sono sufficienti a causare una significativa distorsione della trasmissione dei dati, segnali di misurazione errati dei sensori e comandi di controllo inappropriati – uno scenario assolutamente inaccettabile per la sicurezza.
Un connettore schermato risulta essenziale, poiché all'interno di un modulo un connettore agisce sempre sia come dissipatore di interferenze che come fonte di interferenze. Inoltre, il componente può essere disturbato da altri componenti e a sua volta influire elettromagneticamente sui componenti circostanti. Una schermatura riduce entrambi gli effetti di un fattore compreso tra 100 e 200. 
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contatto a molla a doppia faccia
A proposito di robustezza: urti e vibrazioni compromettono la stabilità della trasmissione dei dati, così come gli influssi ambientali di natura chimica e termica dovuti a temperature estreme, forti sbalzi termici, gas nocivi, umidità e sporcizia. La superficie di contatto determina in modo decisivo la durata del connettore, poiché durante il funzionamento si verificano micro-movimenti tra le due parti del connettore che, nel tempo, portano all'abrasione della superficie e quindi a una maggiore resistenza di contatto e, di conseguenza, a una trasmissione del segnale meno efficace. Un rivestimento dei contatti di alta qualità e durevole aiuta a ridurre al minimo questa abrasione superficiale.
Per il sistema di contatto, una striscia a molla su entrambi i lati assicura prestazioni elevate, poiché garantisce sempre un punto di contatto in ogni situazione, indipendentemente dagli influssi esterni. Il sistema diventa ancora più robusto con un sistema di contatto “gender-neutral”, poiché i contatti si intrecciano tra loro durante l’innesto, garantendo così la massima sicurezza di contatto.
Nei connettori monoblocco si evita di avere un'area di contatto vulnerabile, garantendo così la massima resistenza agli agenti esterni. Il collegamento avviene tramite la tecnica di inserimento a pressione, in cui un perno viene inserito a pressione in un foro passante nel circuito stampato, creando saldature a freddo tra il manicotto di rame e la zona di inserimento. Si ottiene così un collegamento a tenuta di gas e colabile con il circuito stampato, che offre un tasso di guasto dieci volte inferiore rispetto ai connettori saldati automaticamente. 

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Un vecchio connettore DIN della serie D con passo da 5,08 mm e, sotto, il nuovo Zero8 con passo da 0,8 mm
A causa dello spazio limitato nell'abitacolo delle automobili, i sensori e le centraline di controllo devono fare i conti con spazi ristretti; ciò comporta, a sua volta, la necessità di ridurre ulteriormente le dimensioni dei connettori, pur mantenendo le stesse prestazioni o addirittura migliorandole. La tecnologia a montaggio superficiale (SMT) è l'ideale in questo contesto, poiché, a differenza della tecnica di inserimento a pressione, consente un passo significativamente più piccolo e il montaggio su entrambi i lati del circuito stampato. 

La tendenza a installare nei moduli un numero sempre maggiore di connettori sempre più piccoli comporta un allungamento delle catene di tolleranza e la necessità per i connettori di compensare tolleranze sempre maggiori sia durante il montaggio che durante il funzionamento. A tal fine esistono già connettori in grado di assorbire ancora meglio urti e vibrazioni. 

Tre linee di prodotti coordinate di ept

Zero8 Board to Board Connector
I prodotti zero8 offrono la massima scalabilità con forme costruttive, altezze di impilamento e numero di poli personalizzabili, consentendo distanze tra i circuiti stampati da 6 a 21 mm e un numero di poli variabile da 12 a 80. I connettori sono compatibili tra loro e liberamente combinabili, con schermatura su uno o entrambi i lati. La robusta tecnologia di connessione ScaleX garantisce un contatto sicuro in caso di urti e vibrazioni, compensa le tolleranze e offre protezione EMC per una velocità di trasmissione dati di 16 Gbit/s.

Dettagli su Zero8
ept Colibri Polzahlen 40 220 rgb
I prodotti Colibri® sono connettori SMT schermati a doppia fila con passo da 0,5 mm, compatibili con PICMG COM Express®, SFF-SIG CoreExpress® e nano-ETXexpress. Le prese per moduli COM offrono 196 pin di segnale e 24 pin di terra, mentre i connettori maschi per schede carrier sono disponibili opzionalmente con guide di allineamento, schermatura e fissaggio SMT. Il sistema COM Express Colibri® offre un’eccellente integrità del segnale per oltre 25 Gbit/s, ideale per applicazioni ad alta velocità con spazio di installazione limitato.

Dettagli su Colibri®
One27 UEbersicht
Come terza famiglia di prodotti, One27 offre connessioni per circuiti stampati robuste e compatte in tecnologia SMT con un passo di 1,27 mm. Supportano distanze tra i circuiti stampati da 8 a 20 mm e sono disponibili con un numero di contatti compreso tra 12 e 80, nonché in versione con cavi assemblati. Sono possibili sia connessioni parallele che ad angolo retto; sono particolarmente robuste e facili da lavorare, garantendo un contatto affidabile e un’elevata flessibilità nella disposizione dei circuiti stampati.

Dettagli su One27


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Se guardiamo al futuro, la guida autonoma sarà strettamente legata all'evoluzione delle tecnologie di trasferimento dati e di comunicazione. Aspetti chiave come la connettività 5G, la sicurezza informatica, la comunicazione V2X, l'edge computing e la tecnologia blockchain influenzeranno in modo determinante la trasmissione dei dati, ma rimarrà sicuramente la coesistenza di reti di bordo e connettori, che un giorno renderanno realtà un'auto senza volante. 

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