Проводници за захранване и данни в бордовата мрежа на бъдещето – заедно или поотделно?

Какви са възможностите за осигуряване на захранващо напрежение и трансфер на данни между контролера и сензорите в автомобила, предимства и недостатъци на хибридните решения и кое решение за кое приложение е най-добро

Автомобилното бъдеще ясно сочи в посока на „автономното шофиране“.
Автономното шофиране изисква голям брой сензори като камери, радари или LiDAR в автомобила, за да може безопасно да транспортира пътниците от точка А до точка Б. Това е придружено от огромно количество данни, които трябва да бъдат пренесени, обединени и оценени. Въпросите, които непременно трябва да бъдат зададени в този контекст, са:
Как да получа правилното напрежение с достатъчен ток от контролера (ECU) към сензора и как мога да осигуря безопасен и правилен пренос на данни?

Точно тези вълнуващи теми искаме да осветлим в тази статия. Тук можете да разберете какви опции има за захранване с напрежение, както и за трансфер на данни между контролера и сензорите, предимствата и недостатъците на хибридните конектори и какво прави MD, за да се подготви за бъдещото развитие.

Какви са възможностите за осигуряване на захранващо напрежение и трансфер на данни между контролера и сензорите в автомобила?

Както често се случва, има различни подходи за решение, които се използват в автомобилите:

• Power over Coax (PoC)
• Power over Dataline (PoDL)
• Разделени захранване и данни.

В тази глава искаме да разгледаме по-отблизо отделните подходи за решение и техните предимства и недостатъци.

Power over Coax (PoC)

Има три вида сигнали, които се изпращат и получават между сензори като камери и контролер, т. нар. наречено ECU (Electronic Control Unit):

• Команди (ECU à камера)
• Данни от изображения (камера à ECU)
• Захранване с напрежение (ECU à камера)

Първоначално са необходими два или три чифта кабели за пренос на тези сигнали. Основният недостатък тук е свързаното с това голямо тегло и високата цена.

С Power over Coax (PoC) вече е възможно да трансферирате всички тези сигнали чрез един коаксиален кабел.Като предимства не могат да се отрекат ниското тегло, ниските усилия за обработка и полагане, както и намалените разходи. Това, което изглежда като идеалното решение, има и своите недостатъци. Коаксиалният кабел трябва да управлява три напълно различни характеристики и две посоки на сигнала.

Командите от ECU към сензора (напр. камера) се извършват на честоти до 4 MHz, докато данните за изображенията трябва да се предават в другата посока в диапазона от 700 MHz. Освен това тогава трябва да се осигури постоянно DC захранване.

За да се осигури интегритета на сигнала, е необходимо да се инсталират пасивни високоефективни филтри от двете страни (сензор и ECU) на преноса. Тези филтри пропускат постоянния ток на захранващото напрежение без почти никакви загуби, докато сигналите за данни на правия и обратния канал се демпферират, за да се филтрират смущенията като отражения.

Филтърът от страната на ECU обединява напрежението на постоянния ток с видео- и комуникационните данни. Задачата на филтъра от страната на сензора е да отдели напрежението на постоянния ток от видео- и комуникационните данни, за да осигури стабилно захранване на сензора с постоянен ток.

PoC пренос с филтър

Дизайнът на филтъра не е лесна задача, тъй като много компоненти, като например електрическите свойства на пасивните елементи и филтъра, влиянието на филтъра върху производителността и качеството на сигнала на серийния високочестотен пренос на данни, спадовете на напрежението по линията, но също така и спазването на разпоредбите за електромагнитна съвместимост, трябва да се вземат предвид. Поради малките напречни сечения на кабела, максималното токово натоварване и дължината на кабела също са ограничени. При употреба на PoC (Power over Coax) типичното PoC напрежение е между 5 волта и 36 волта.
Токът трябва да е под номиналния на феритите или индукторите, използвани във филтъра (напр. 150 mA). Затова напр. Texas Instruments препоръчва PoC напрежение по-голямо от 10 волта, за да се осигури възможно най-висока мощност при нисък ток.
(Мощност [W] = Ток [A] * Напрежение [V])

Power over Dataline (PoDL)

За разлика от PoC (Power over Coax), тук двойките диференциални линии на UTP (Unshielded Twisted Pair) или STP проводника (Shielded Twisted Pair) се използват за пренос на данни и ток. Скоростта на пренос определя дали да се използва екраниран или неекраниран кабел. 10Base-T1 или 100Base-T1 Ethernet връзките обикновено са неекранирани; екранираните кабели обикновено се използват при по-високи скорости.

PoDL

Максималните дължини на проводниците зависят от скоростта на пренос:

• 10Base-T1: до 1000 m
• 2,5, 5, 10Gbit/s MultiGiG: максимум 15 m

Едно от предимствата на Power over Dataline (PoDL) с екранирани кабели в сравнение с Power over Coax (PoC) е EMC (електромагнитна съвместимост).
При PoC екранировката действа и като проводник на ток (обратна линия от консуматора).  Благодарение на протичащия ток, екранировката действа почти като антена, която може да „излъчва“.

При PoDL, благодарение на Twisted Pair проводниците, екранировката може да действа като „истинска“ екранировка. Данните и захранването се пренасят изключително чрез двете линии за данни. По екранировката не протича ток. Смущенията като електромагнитни емисии, дължащи се на High/Low смяна на нивото на сигналите за данни, остават вътре в кабела и не се излъчват в обкръжаващата среда.

Подобно на PoC обаче, тук токът, съответно максималната полезна мощност, която може да бъде предоставена на сензора, също е много ограничена.
Според IEEE 802.3bu границата се достига при 50 вата.
Могат да се използват напрежения до 60 волта, за да се поддържат токовете възможно най-ниски.

Разделени захранване и данни

4 пол. Mini-Koax + MQS

Една от основните слабости на PoC (Power over Coax) и PoDL (Power over Dataline) се крие в ограничения ток, който може да бъде предоставен на консуматорите.

Сензори като LiDAR и радар обаче стават все по-мощни. Разстоянията на измерване се увеличават, резолюциите (броят пиксели) се увеличават, което в крайна сметка се отразява в нарастващата консумация на ток. Тук PoC и PoDL достигат своите граници. Поради тази причина сега все по-често се използва третото решение, при което проводниците за данни и захранване се прокарват поотделно.

Този тип пренос на данни обикновено се реализира с различни контакти, комбинирани в корпуса, например HSD (High Speed Data) с две MQS (Micro Quadlok System). Сигналите се предават чрез HSD проводника и сензорите се захранват с електричество чрез MQS проводниците. Но дори тези хибридни конектори имат своите недостатъци.

Предимства и недостатъци на хибридните конектори:

Предимствата на хибридните конектори се крият в по-гъвкавия избор на напречното сечение за захранващите проводници и по-високите токове, които могат да бъдат предоставени на консуматора благодарение на по-големите напречни сечения.

Друго предимство е, че сигналът за данни не трябва да се комбинира със захранването с напрежение чрез скъпи филтри и да се отделя отново от другата страна.

Но разбира се и тук има недостатъци.
Усилията за производство на такива проводници са значително по-големи.
Напълно автоматичните машини трябва да могат да свързват MQS контактите с различните напречни сечения на проводниците на захранващите линии. Затова са необходими различни инструменти за кримпване. Но също така и усилията за проверка и валидиране на различните проводници се увеличават значително в резултат на това. 

Производство на кабели на бъдещето – какво прави MD, за да се позиционира добре в бъдеще

MD разполага със собствени производствени съоръжения за експлоатационни средства в централата си близо до Мюнхен.
Тук се разработват, проектират и изграждат изключително сложни производствени системи от опитни конструктори и инженери. Това е оптималната база за максимална гъвкавост, за да може да се реагира бързо на новите изисквания при бордовите мрежи.

С нашето продуктово портфолио ние сме много силен и компетентен партньор, чийто фокус е върху производството на висококачествени проводници за данни. Като независим производител, ние сме специалисти в производството на хибридни проводници за данни и конектори.
MD ELEKTRONIK предлага правилното решение за коаксиални, както и за UTP (Unshielded Twisted Pair) и STP (Shielded Twisted Pair) продукти, но също така и за оптичен пренос на данни. 

Обобщение и заключение:

Понастоящем има три подхода за пренос на ток и данни едновременно между сензори и изпълнителни механизми в автомобила:

• PoC (Power over Coax)
• PoDL (Power over Dataline)
• Разделени захранване и данни.

PoC (Power over Coax) и PoDL (Power over Dataline) позволяват преноса на захранващото напрежение чрез проводниците за данни, но са много ограничени по отношение на максималния ток поради малката дебелина на проводниците.

Третият вариант е отделно провеждане на захранването и данните. Голямото предимство тук се крие в хибридното решение, при което проводниците за данни и захранване с напрежение се прокарват поотделно, но са включени заедно в щекерната система. Недостатъкът на това решение са повишените производствени разходи.

Не е възможно да се направи генерално заключение кой от трите варианта е най-доброто решение, тъй като това зависи много от приложението. Всеки OEM производител има своя собствена философия за това как трябва да бъде проектирано електрозахранването в бордовата мрежа.

Хибридният подход често се предпочита при сензори с висока консумация на ток, тъй като PoC и PoDL са силно ограничени в това отношение от напречното сечение на проводника.

Въпреки това, ако искате да снабдите консуматори като камери с умерена консумация на енергия, като при това опростеното производство и намаляването на теглото играят роля, PoC и PoDL технологиите ще продължат да бъдат от голямо значение.