Niezawodne komponenty pasywne do elektroniki motoryzacyjnej
| TechnikaWspółczesna motoryzacja w coraz większym stopniu polega na elektronice, a liczba systemów, takich jak jednostki sterujące silnikiem (ECU), urządzenia informacyjno-rozrywkowe, zaawansowane układy wspomagania kierowcy (ADAS), zwiększa się razem z ich funkcjonalnością i złożonością układową. Samochodowe systemy elektroniczne opierają się na wysokowydajnych komponentach po to, aby zapewnić niezawodne działanie przez długi czas. Poza półprzewodnikami istotną rolę w zapewnieniu niezawodności odgrywają kondensatory używane do filtrowania sygnałów i magazynowania energii, warystory do ochrony przepięciowej obwodów, złącza do realizacji kompaktowych jednostek oraz pasywne komponenty w torach komunikacji radiowej i przewodowej.
W zależności od miejsca pracy w pojeździe wymagania dotyczące zakresu temperatur, odporności na wstrząsy i wibracje, wilgotność, stany nieustalone, wyładowania elektrostatyczne i inne narażenia mogą się różnić. Niemniej, we wszystkich przypadkach potrzebne są komponenty, które spełniają wymagania normy AEC-Q200.
Konieczność sprostania zawartym w tej regulacji wymaganiom sprawia, że projektanci muszą starannie wybierać części do realizowanych jednostek i urządzeń spośród wielu dostępnych na rynku wersji i typów. Celem jest sprostanie wyzwaniom związanym z zapewnieniem wydajności i trwałości. Może to być trudne i czasochłonne zadanie, w zależności od potrzebnej liczby i różnorodności niezbędnych podzespołów.
Problemy z doborem oraz spełnieniem wymagań technicznych i formalnych związanych z zaawansowanymi samochodowymi układami elektronicznymi, przy jednocześnie jak najkrótszym czasie wprowadzania produktów na rynek, rozwiązuje się zwykle dzięki wykorzystaniu jednego sprawdzonego źródła dostaw, zapewniającego szeroki wybór produktów, które mają certyfikaty i zostały dopuszczone do stosowania w branży motoryzacyjnej. W takim kontekście warto zwrócić uwagę na elementy pasywne produkowane przez firmę Kyocera AVX. W artykule porównano charakterystyki i właściwości kilku technologii kondensatorów z jej oferty oraz oceniono ich przydatność w aplikacjach motoryzacyjnych. Następnie przedstawiono przykłady elementów ochronnych, złączy, elementów RF i mikrofalowych oraz anten do zastosowania w elektronice samochodowej.
Kondensatory motoryzacyjne
W przypadku typowych zastosowań bazujących na elementach o napięciu znamionowym do 10 V lub mniej i pojemnościach do 100 μF, wiele rozwiązań technologicznych kondensatorów w dużej mierze zapewnia podobne właściwości pod względem wydajności i (rys. 1). To jest trochę mylące, gdyż nie oznacza wcale, że elementy z tych grup nadają się jednakowo do każdego zastosowania. Dlatego w procesie selekcji trzeba brać pod uwagę drobne różnice w parametrach, takie jak wartość zmiany pojemności w funkcji przyłożonego napięcia (współczynnik napięciowy) oraz temperatury (współczynnik temperaturowy), jak również zmiany równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) wraz z częstotliwością (krzywa impedancji) (rys. 1).
Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) dostępne są w wersjach o dużej wartości iloczynu napięcia i pojemności (CV), dzięki czemu zapewniają dużą pojemność w małej obudowie. Niektóre kondensatory tantalowe ze stałym elektrolitem, jak również tantalowe kondensatory polimerowe, mają takie same wymiary jak wersje MLCC. Z kolei elementy wykonane z tlenku niobu mają nieco mniejsze wartości pojemności w przeliczeniu na objętość. MLCC o dużej wartości CV są dostępne z dwoma typami dielektryka:
- X5R, który zapewnia najwyższe wartości pojemności do 100 μF i jest bazą konstrukcyjną dla elementów MLCC o dużym indeksie CV,
- X7R, który pozwala na wytwarzanie pojemności tylko do około 22 μF, ale za to charakteryzuje się doskonałą stabilnością temperaturową.
Na przykład kondensator MLCC o symbolu 12103C106-K4T4A X7R ma pojemność 10 μF i napięcie znamionowe 25 V. Charakteryzuje się nieliniową zmianą temperatury pojemności ±15% w zakresie od –55 do +125°C. Jego pojemność zmienia się też wraz z napięciem i częstotliwością. To nie jest problemem w obwodach, gdzie zmiana pojemności spowodowana przyłożonym napięciem nie ma wpływu na działanie.
Współczynniki napięciowe i temperaturowe
Mimo ogólnie dużej stabilności, wartość pojemności MLCC dla wersji o dużej wartości CV niestety trochę maleje wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji. Elementy tantalowe, z tlenku niobu i kondensatory polimerowe mają płaskie charakterystyki współczynnika napięciowego. Ponadto w kondensatorach MLCC o wysokim CV występuje spadek pojemności w wysokich i niskich temperaturach, podczas gdy kondensatory tantalowe, z tlenku niobu i polimerowe mają minimalne współczynniki temperaturowe (rys. 2).
ESR a częstotliwość
Krzywe zmiany impedancji w funkcji częstotliwości mogą być również istotne. MLCC o dużym CV mają ostry rezonans i mały ESR, podczas gdy tantalowe i z tlenku niobu mają krzywe impedancji o szerokopasmowej charakterystyce (rys. 3). ESR dla wersji na tlenku tantalu i niobu wzrasta w niskich temperaturach. Z kolei kondensatory polimerowe mają szerokopasmową charakterystykę zmian impedancji, z niższymi wartościami ESR w porównaniu z tantalami i niobowymi. Ponadto ESR polimerowych pozostaje mały w niskich temperaturach, podczas gdy tantalowych i niobowych wzrasta.
Kondensatory tantalowe do jednostek sterowania silnikiem (ECU)
Projektanci komputerów sterujących silnikiem (ECU) mogą sięgnąć po kondensatory tantalowe serii F97 firmy Kyocera AVX. Są one zgodne z AEC-Q200 i dostępne w zakresie napięć znamionowych od 6,3 do 35 V, działają w zakresie temperatur od –55 do 125°C przy pojemnościach do 150 μF. Na przykład F971A107MCC to typowy przedstawiciel tej grupy produktowej o wartości 100 μF i 10 woltów.
Kondensatory polimerowe do elektroniki nadwozia
Kondensatory polimerowe pracują w zakresie temperatur od –55 do +125°C, podobnie jak tantale, ale polimerowe są dostępne dla napięć znamionowych do 50 V, a więc znacznie więcej w porównaniu do 35 V dla tantalowych. Seria TCQ z certyfi- katem AEC-Q200 ma pojemność do 470 μF i żywotność znamionową 2000 godzin w temperaturze 125°C, czyli dwukrotnie więcej niż wymaga ta specyfikacja. Zastosowania motoryzacyjne w tym przypadku obejmują elektronikę pracującą pod maską, systemy informacyjno-rozrywkowe, układy sterowania w kabinie i systemy komfortu. Przykładowy element nadający się do takich celów to TCQD337M004R0025E (330 μF i 4 V).
Niobowe do systemów kabinowych
Kondensatory z tlenku niobu, takie jak seria OxiCap NOJ, mają wartości pojemności do 1000 μF i napięcie znamionowe sięgające 10 V przy zakresie temperaturowym od –55 do +105°C. Są przeznaczone do użytku w aplikacjach, gdzie napięcie zasilania nie przekracza 7 V, takich jak moduły regulacji foteli, jednostki sterujące poduszkami powietrznymi i systemy informacyjno-rozrywkowe. Cechą tych elementów jest duże bezpieczeństwo i brak palności. Są również wysoce niezawodne, a ich wskaźnik awaryjności wynosi 0,5% na 1000 godzin pracy w temperaturze 85°C. Przykład to NOJC107M004RWJ mający 100 μF i 4 V.
Wysokonapięciowe MLCC
Oprócz wersji o dużym iloczynie CV, kondensatory MLCC są dostępne w wersjach wysokonapięciowych, nawet do 5000 V. Z kwalifikacją AEC-Q200 taki element to np. 630-woltowy 1825CC154KAT2A firmy Kyocera AVX o pojemności 0,15 μF przeznaczony do stosowania w tłumikach przepięć i rezonansowych przetwornicach zasilających. Te wysokonapięciowe wersje mają małe wartości ESR przy wysokich częstotliwościach sygnałów.
Superkondensatory
Superkondensatory są stosowane w systemach samochodowych do realizacji zasilania rezerwowego, do wydłużania żywotności akumulatorów i zapewniania dużej wydajności zasilania potrzebnej do rozruchu silników. Seria SCC takich elementów firmy AVX jest dostępna w zakresie pojemności od 1 do 3000 F i napięciu znamionowym 2,7 V oraz 3,0 V. Przykładowy element SCCV40E506SRB ma 50 F przy 3 V, a jego ESR nie przekracza 20 mΩ (rys. 4), co jest rezultatem wykorzystania jako elektrolitu acetonitrylu (ACN). Mniej więcej na każde 10°C mniejszej temperatury lub obniżenie wartości znamionowej zasilania o 0,2 V sprawiają, że żywotność tych elementów podwaja się. W ofercie dostępne są ponadto serie SCC LE, które charakteryzują się jeszcze niższymi wartościami ESR.
Ochrona ESD
Ochrona urządzeń elektronicznych przed wyładowaniami elektrostatycznymi jest niezbędną częścią większości systemów samochodowych. Do tego celu służą wielowarstwowe warystory z rodziny TransGuard o małej wartości napięcia aktywacji Kyocera AVX. Są one zgodne z normą AEC-Q200 i przeznaczone do użytku tam, gdzie wymagany jest mały stosunek napięcia obcinania do napięcia roboczego. Zapewniają dwukierunkową ochronę przed przepięciami, a także tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych w jednostkach ECU, systemach informacyjno-rozrywkowych i wyświetlaczach kabinowych. VLAS080516C350RP ma napięcie robocze 16 VDC lub 11 VAC, napięcie aktywacji 19,5 V +12%, obcinania 35 V przy pojemności własnej 900 pF (rys. 5).
Seria certyfikowanych zgodnie z AEC-Q200 elementów ASPGuard łączy wyroby o małej pojemności własnej, które są przeznaczone do zastosowań ochronnych układów RF, czujników, linii interfejsów i innych obwodów, w których konieczne jest użycie ochronników o małej pojemności i dużej zdolności pochłaniania energii. Warystory ASPGuard charakteryzują się niskim prądem upływu, a także zakresem temperatur pracy od –55 do +150°C przy dostępnych napięciach roboczych od 18 do 70 VDC. Przykładowy VCAS04AP701R5YATWA pracuje przy napięciu 70 V przy prądzie upływu 0,1 μA i ma pojemność 1,55 ±0,13 pF.
Złącza krawędziowe do ECU
Motoryzacyjne komputery sterujące silnikiem (ECU) komunikują się z otoczeniem z użyciem wielu linii i stąd wymagają użycia rozwiązań połączeniowych o większej niż typowe gęstości pinów. Przykładem takiego produktu może być 12-pinowe złącze krawędziowe 009159012651916 pokazane na rysunku 6. Jest ono częścią serii takich produktów zawierających od 4 do 12 pinów w ułożeniu naprzemiennym. Sąsiadujące styki są osobnymi kontaktami, więc zapewniają dwa razy więcej pozycji w porównaniu do wersji jednorzędowej o podobnej wielkości. Są dostępne w wersji z kodowaniem, czyli z blokadą mechaniczną zapobiegającą nieprawidłowemu włożeniu. Są przeznaczone do stosowania z płytkami drukowanymi o typowej grubości 1,6 mm, mają pozłacane styki, dzięki czemu przy użyciu pokrytego złotem pola stykowego na PCB zapewniają wysoki poziom niezawodności i integralności sygnału oraz pozwalają na obciążanie prądem o natężeniu 2,5 A na pin.
Komunikacja
Sprzęgacze kierunkowe RF i mikrofalowe, cewki indukcyjne i anteny są potrzebne w coraz większej liczbie zastosowań, w tym w systemach lokalizacyjnych, systemach dostępu bezkluczykowego i komunikacji pojazdu z infrastrukturą drogową. Sprzęgacze kierunkowe są ważną częścią łańcucha sygnałowego wielu obwodów RF i służą do wydzielania części sygnału RF z zapewnieniem wysokiej izolacja i niskich strat wtrąceniowych w celu dalszej analizy, pomiarów i przetwarzania. Taki element to na przykład CP0603A0836ANTR. Jest to 20-decybelowy sprzęgacz kierunkowy działający w paśmie od 824 do 849 MHz, przy maksymalnym tłumieniu wtrąceniowym 0,25 dB, izolacji 28 dB i z kierunkowością 22 dB.
Wykorzystywane w samochodach anteny muszą być dobrze dopasowane do obwodów RF po to, aby zapewnić duży zasięg komunikacji przy małej mocy. Do tego celu wykorzystywane są sieci dopasowujące LC. Przykładowa cewka obwodu dostrajającego to L0201R39AHSTR\500. Ma stałą indukcyjność 0,39 (±0,05) nH przy 450 MHz i może przenosić prąd o natężeniu do 550 mA przy maksymalnej rezystancji 100 mΩ. Jest zbudowana przy użyciu trwałej konstrukcji cienkowarstwowej.
Mimo że anteny są kluczowym elementem systemów komunikacji i w samochodach jest ich coraz więcej, AEC-Q200 nie definiuje dla nich specjalnych wymagań. Mimo to Kyocera AVX przestrzega procedur AEC-Q200 dla produktów serii A, takich jak A1001013 (Wi-Fi, -Bluetooth i ZigBee), które są zalecane do zastosowań motoryzacyjnych (rys. 7).
Coraz większa liczba systemów elektronicznych w nowoczesnych samochodach, systemy jazdy autonomicznej i nowoczesne rozwiązania komunikacji V2X stanowią wyzwanie dla projektantów, którzy potrzebują coraz więcej komponentów z certyfikatem AEC-Q200, aby zapewnić solidne, niezawodne i wydajne działanie. Współpraca z partnerem, który ma kompleksową ofertę takich produktów, pozwala zaoszczędzić sporo czasu.
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
