Cables de potencia y de datos en la red de a bordo del futuro: ¿juntos o separados?

¿Qué posibilidades existen para garantizar el suministro de tensión y la transmisión de datos entre la unidad de control y el sensor en el vehículo? ¿Cuáles son las ventajas y los inconvenientes de las soluciones híbridas? ¿Qué solución es mejor para cada aplicación?

El futuro del automóvil apunta claramente en dirección a la «conducción autónoma». Para poder transportar al pasajero de A a B de una forma segura, la conducción autónoma requiere un gran número de sensores como cámaras, radar o LIDAR en el vehículo. Esto lleva consigo una cantidad enorme de datos que se tienen que transferir, fusionar y evaluar a través de cables de datos altamente eficientes. Las preguntas que debemos hacernos a este respecto son: ¿cómo puedo obtener la tensión correcta con una corriente suficiente desde la unidad de control (ECU) al sensor y cómo puedo garantizar una transmisión de datos segura y correcta?

Justamente estos apasionantes temas son los que trataremos en este artículo, en el que descubrirá qué posibilidades existen para garantizar el suministro de tensión y la transferencia de datos entre la unidad de control y el sensor, las ventajas y los inconvenientes de los conectores híbridos y qué está haciendo MD para prepararse de cara al desarrollo del futuro.

¿Qué posibilidades existen para garantizar el suministro de tensión y la transmisión de datos entre la unidad de control y el sensor en el vehículo?

Como en tantas otras ocasiones, en este aspecto también existen diferentes soluciones que se utilizan en los vehículos:

• Power over Coax (PoC)
• Power over Dataline (PoDL)
• Potencia y datos por separado.

En este capítulo, observaremos más detenidamente cada uno de estos conceptos, así como sus ventajas e inconvenientes.

Power over Coax (PoC)

Existen tres tipos de señales que se envían y se reciben entre los sensores, como, por ejemplo, las cámaras, y una unidad de control, la denominada ECU (Electronic Control Unit):

• Comandos (ECU à cámara)
• Datos de imagen (cámara à ECU)
• Suministro de tensión (ECU à cámara)

Originariamente, para la transmisión de estas señales se requerían dos o tres pares de cables. El gran inconveniente que suponían era su gran peso y un coste elevado.

Ahora, con Power over Coax (PoC) es posible transferir todas estas señales a través de un único cable coaxial. Su escaso peso, su reducido nivel de procesamiento e instalación y su bajo coste son ventajas innegables.
Sin embargo, esta solución, aunque parece ideal, también tiene sus sombras. El cable coaxial ha de llevar a cabo tres características de señales totalmente diferentes y dos direcciones de señal.

Los comandos que van de la ECU al sensor (p. ej., la cámara) se producen con frecuencias de hasta 4 MHz, mientras que los datos de imágenes en el rango de 700 MHz han de transferirse en la otra dirección. Además, también se ha de proporcionar un suministro constante de CC.

Para permitir la integridad de la señal, es necesario instalar filtros pasivos de alto rendimiento a ambos lados (sensor y ECU) de la transmisión. Estos filtros dejan pasar la corriente continua del suministro de tensión prácticamente sin pérdidas, mientras que las señales de datos de los canales hacia delante y hacia atrás se amortiguan para filtrar perturbaciones como las reflexiones.

El filtro situado en el lado de la ECU agrupa la tensión continua con los datos de vídeo y de comunicación.
La misión del filtro que se encuentra en el lado del sensor consiste en separar la tensión continua de los datos de vídeo y de comunicación para permitir un suministro estable de corriente continua para el sensor.

transmisión PoC con filtro

El diseño del filtro no es una tarea fácil, ya que deben tenerse en cuenta muchos factores, como, por ejemplo, las propiedades eléctricas de los componentes pasivos y del filtro, la influencia del filtro en la potencia y la calidad de señal de la transmisión serial de datos de alta frecuencia, las caídas de tensión a lo largo del cable y también el cumplimiento de la normativa relativa a CEM. Debido a las secciones reducidas del cable, la intensidad de carga máxima y la longitud del cable también se ven limitadas. Con el uso de PoC (Power over Coax), la tensión PoC característica está entre 5 y 36 voltios. La corriente debe estar por debajo de la corriente nominal de las ferritas o las inductancias utilizadas en el filtro (p. ej., 150 mA). Por eso, por ejemplo, Texas Instruments recomienda una tensión PoC superior a 10 voltios para poder ofrecer una potencia lo más alta posible con una corriente reducida. (Potencia [W] = corriente [A] * tensión [V])

Power over Dataline (PoDL)

A diferencia de PoC (Power over Coax), en este caso se utilizan los pares de cables diferenciales de un cable UTP- (Unshielded Twisted Pair, cable de dos hilos sin blindaje) o STP (Shielded Twisted Pair, cable de dos hilos con blindaje) para la transmisión de datos y de corriente. La velocidad de transmisión es decisiva para determinar si se usa un cable con o sin blindaje. Por regla general, las conexiones Ethernet 10Base-T1 o 100Base-T1 se realizan sin blindaje, y en caso de velocidades más elevadas, la mayoría de las veces se utilizan cables con blindaje.

PoDL

Las longitudes máximas de cable dependen de la velocidad de transmisión:

• 10Base-T1: hasta 1000 m
• 2,5, 5, 10 Gbit/s MultiGiG: 15 m como máx.

Una ventaja de Power over Dataline (PoDL) con cables con blindaje, en comparación con Power over Coax (PoC), es la CEM (compatibilidad electromagnética). En el caso de PoC, el blindaje actúa también como conductor de corriente (cable de retorno del consumidor).  Con el flujo de corriente, el blindaje se convierte prácticamente en una antena que puede «emitir».

En el caso de PoDL, gracias a los cables de dos hilos, el blindaje puede actuar como un blindaje «auténtico». Los datos y el suministro de corriente se transfieren exclusivamente a través de los dos cables de datos, ninguna corriente recorre el blindaje. Las perturbaciones como las emisiones CEM debidas al cambio de nivel High/Low de las señales de datos permanecen en el interior del cable y no se emiten al entorno.

Sin embargo, de forma similar al PoC, en este caso la corriente o la potencia útil máxima que se puede poner a disposición del sensor es muy limitada. Según IEEE 802.3bu, el límite se alcanza con 50 vatios. Pueden utilizarse tensiones de hasta 60 voltios para que la corriente sea lo más baja posible.

Potencia y datos por separado

Mini-Coax de 4 polos + MQS

Uno de los mayores puntos débiles de PoC (Power over Coax) y de PoDL (Power over Dataline) es la corriente limitada que se puede poner a disposición de los consumidores.

Sin embargo, los sensores como LiDAR y radar son cada vez más potentes. Las distancias de medición son mayores y la resolución (número de puntos de imagen) aumenta cada vez más, lo cual se refleja en un mayor consumo de corriente. Aquí, tanto PoC como PoDL llegan a su límite.
Por este motivo, se utiliza cada vez más la tercera solución, en la que los cables de datos y de potencia se ejecutan por separado.

Este tipo de transmisión de datos se lleva a cabo mayoritariamente con diferentes contactos que se unen en la carcasa, como HSD (High Speed Data) con dos MQS (Micro Quadlok System). Las señales se transfieren a través del cable HSD y los sensores reciben corriente a través de los hilos MQS.
No obstante, estos conectores híbridos también presentan algunas desventajas.

Ventajas e inconvenientes de los conectores híbridos:

Las ventajas de los conectores híbridos radican en una selección más flexible de la sección de los cables de suministro y las corrientes más elevadas que es posible ofrecer gracias a las mayores secciones.

Otra ventaja es que la señal de datos no tiene que unirse al suministro de tensión mediante costosos filtros, para volver a separarse por el otro lado.

Obviamente, también presentan algunos inconvenientes.
La fabricación de este tipo de cables es considerablemente más compleja.
Las máquinas totalmente automatizadas deben ser capaces de unir los contactos MQS con las distintas secciones de los cables de suministro. Por eso, se requieren diferentes herramientas de crimpado. Además, esto aumenta enormemente el esfuerzo que conlleva verificar y validar los distintos cables.

La fabricación de cables del futuro: ¿qué está haciendo MD para prepararse de cara al futuro?

En su sede central situada cerca de Múnich, MD tiene su propia fábrica de equipos de producción, en la que constructores e ingenieros con gran experiencia desarrollan, construyen y montan instalaciones de producción altamente complejas. Esta es la mejor base para ofrecer la máxima flexibilidad y así poder responder rápidamente a los nuevos requisitos en la red de a bordo.

Con nuestra gama de productos, somos un socio comercial muy fuerte y competente, cuya actividad principal es la fabricación de cables de datos de alta calidad. Como fabricantes independientes, somos especialistas en la fabricación de cables de datos y conectores híbridos. Tanto para productos coaxiales como para productos UTP (Unshielded Twisted Pair) y STP (Shielded Twisted Pair), al igual que para la transmisión óptica de datos, MD ELEKTRONIK es la solución correcta. 

Resumen y conclusión:

Actualmente existen tres conceptos para transmitir simultáneamente electricidad y datos entre los sensores y los actuadores en el vehículo:

• PoC (Power over Coax)
• PoDL (Power over Dataline)
• Potencia y datos por separado.

PoC (Power over Coax) y PoDL (Power over Dataline) permiten transmitir la tensión de suministro a través de los cables de datos, pero tienen una corriente máxima muy limitada debido al reducido grosor de los cables.

La tercera opción es la transmisión separada de potencia y datos. En este caso, la gran ventaja radica en una solución híbrida, en la que los cables de datos y el suministro de tensión estén conducidos individualmente, pero que se inserten juntos en un mismo conector. La desventaja de esta solución es la complejidad de su fabricación.

Por tanto, no es posible obtener una conclusión general sobre cuál de las tres opciones es la mejor solución, porque depende en gran medida de la aplicación. Cada empresa OEM tiene su propia filosofía acerca de cómo se ha de configurar el suministro de tensión en la red de a bordo.

En el caso de sensores con un gran consumo de electricidad, a menudo se prefiere la solución híbrida, ya que PoC y PoDL están muy limitados debido a la sección del cable.

Sin embargo, si se desea suministrar electricidad a consumidores con un consumo moderado, como por ejemplo, cámaras, y se le concede importancia a la reducción tanto del esfuerzo de fabricación como del peso, las tecnologías PoC y PoDL seguirán teniendo una gran relevancia.