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Evoluzione nella tecnologia automobilistica: SDV e interfacce ad alta velocità

connettore board-to-board nelle architetture dell’rete di bordo automobilistico

Assistenti di volo di tutte le compagnie aeree

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

Le tre grandi tendenze attuali nell’industria automobilistica – la guida automatizzata, quella elettrica e quella connessa – richiedono un cambiamento radicale dell’attuale architettura elettrico-elettronica (E/E). Infatti, l’architettura E/E sta 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, il che consente di ridurre la complessità del cablaggio e dell’installazione, nonché i costi e il peso. Una novità è rappresentata dall’architettura zonale all’interno del veicolo, in cui le funzioni sono raggruppate in un controller di zona locale, il che riduce il numero di centraline e lo sforzo richiesto per il cablaggio.

architettura decentralizzata classica
architettura a domini
architettura zonale

connettore nell’architettura di sistema delle reti di bordo

Tali cambiamenti strutturali modificano anche le sfide che deve affrontare un connettore «connettore scheda-scheda», che supporta e implementa queste architetture. Il compito di trasmettere flussi di dati ora notevolmente più grandi e di elaborarli in un’unità di controllo (centralina) ancora più potente per ottenere un quadro d’insieme modifica in modo significativo i fattori prestazionali del connettore.

Tra le responsabilità relative alla trasmissione dei dati rientrano anche le 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 mantenere bassa la complessità del cablaggio. In questo senso, l’Ethernet automobilistico riveste un ruolo di primo piano, 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-connettore, 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 comportano perdite nella trasmissione del segnale. A questo proposito, un connettore, a causa della sua geometria, rappresenta sempre un potenziale rischio di fluttuazioni di impedenza, causate, tra l’altro, da variazioni dei materiali o della geometria. L’impedenza,

infatti, è determinata dalle proprietà induttive e capacitive, che dipendono dalle dimensioni, dalla disposizione e dal design dei pin. In particolare, le variazioni della sezione trasversale hanno un effetto negativo, motivo per cui devono essere ridotte al minimo. Inoltre, anche i dielettrici (sostanze elettricamente debolmente conduttive o non conduttive) in prossimità del percorso del segnale possono avere effetti negativi, motivo per cui la scelta del materiale isolante corretto è altrettanto importante. A ciò si aggiungono le influenze dovute alle perdite di accoppiamento, ovvero le perdite nel punto di contatto tra lama e molla. Infine, le fluttuazioni di impedenza possono essere causate da elementi conduttori sporgenti che fungono da antenna. Tutti questi effetti vengono riassunti sotto il termine di «Insertion Loss» (rapporto tra segnale in uscita e segnale in ingresso), noto anche come «perdita di inserzione». A ciò si aggiunge la «Return Loss» (perdita di ritorno), che descrive la percentuale del segnale riflesso rispetto a quello da trasmettere.In relazione alla progressiva miniaturizzazione dei componenti, la protezione EMC riveste un ruolo fondamentale: i segnali ad alta frequenza che si generano in questo contesto sono infatti particolarmente sensibili alle interferenze causate da effetti elettromagnetici indesiderati. Anche le interferenze più lievi sono sufficienti a causare una significativa alterazione della trasmissione dei dati, segnali di misura errati dei sensori e comandi di controllo inadeguati – uno scenario assolutamente inaccettabile dal punto di vista della sicurezza.
Un connettore schermato è di grande aiuto, poiché in un modulo un connettore funge sempre sia da dissipatore di interferenze che da fonte di interferenze. Inoltre, il componente può essere disturbato da altri elementi e, a sua volta, esercitare un’influenza elettromagnetica sui componenti circostanti. In questo caso, la schermatura riduce entrambi gli effetti di circa un fattore compreso tra 100 e 200. 
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contatto femmina a doppia faccia
Parola chiave: 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 sporco. La superficie di contatto (superficie di contatto) determina in modo determinante la durata del connettore, poiché durante il funzionamento si verificano micromovimenti tra le due parti del connettore che, nel tempo, portano all’abrasione superficiale e quindi a un aumento della resistenza di transizione (resistenza di contatto) e, di conseguenza, a una trasmissione del segnale meno efficace. Un rivestimento dei contatti (placcatura dei contatti) di alta qualità e durevole aiuta a ridurre al minimo questa abrasione superficiale.
Nel sistema di contatto, una barra a molla (connettore femmina) a doppia fila offre ottime prestazioni, poiché garantisce sempre un punto di contatto in ogni momento, indipendentemente dagli influssi esterni. La robustezza aumenta ulteriormente con un sistema di contatti ermafrodita, poiché i contatti si intrecciano tra loro durante l’innesto, garantendo così la massima sicurezza di contatto.
Nei connettori monoblocco si rinuncia a un’area di contatto vulnerabile, garantendo così la massima resistenza agli agenti esterni. Il collegamento avviene tramite la tecnica di inserimento a pressione (tecnologia press-fit), in cui un perno di inserimento (pin press-fit) viene pressato in un foro foro metallizzato nella scheda, dando luogo a saldature a freddo tra il manicotto di rame e la zona di inserimento (zona press-fit). Si ottiene così un collegamento a tenuta di gas e colabile con la scheda, che offre un tasso di guasto dieci volte migliore rispetto ai connettore saldati automaticamente. 

Groessenvergleich
Un vecchio connettore DIN della serie D con passo 5,08 mm e, sotto, il nuovo Zero8 con passo 0,8 mm
A causa dello spazio di installazione limitato nel settore automobilistico, i sensori e le centraline di controllo devono adattarsi a spazi ristretti, il che a sua volta impone ai connettori (connettore) di ridurre ulteriormente le dimensioni a parità di prestazioni o addirittura con prestazioni superiori. La tecnologia a montaggio superficiale (SMT) è ideale per questo scopo, poiché, a differenza della tecnica di inserimento a pressione (tecnologia press-fit), consente una passo notevolmente più piccola e un montaggio su entrambi i lati del circuito stampato. 

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

Tre famiglie di prodotti ept adatte

Zero8 Board to Board Connector
I prodotti Zero8 offrono la massima scalabilità con tipi costruttivi, altezze di impilamento e numero di poli personalizzabili, consentendo distanze tra le schede 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 velocità di trasmissione dati dati di 16 Gbit/s.

Dettagli su Zero8
ept Colibri Polzahlen 40 220 rgb
I prodotti Colibri sono SMT a due file schermati con connettore a 0,5 mm di passo, 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 Plug 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 SMT con un passo di 1,27 mm. Supportano distanze tra le schede da 8 a 20 mm e sono disponibili con 12-80 contatti, nonché come assemblaggio cavi. Sono possibili sia collegamenti paralleli che ad angolo retto; sono particolarmente robusti e facili da lavorare, garantendo al contempo 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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