Garantir la fiabilité des systèmes automobiles grâce à une sélection et une utilisation rigoureuses des composants passifs

La demande en matière d'électronique automobile augmente dans de nombreuses applications, notamment les calculateurs (ECU), les systèmes d'infodivertissement, les systèmes d'aide à la conduite (ADAS), et plus. Les systèmes électroniques automobiles s'appuient sur une série de composants de pointe pour garantir des performances fiables et robustes, notamment des condensateurs pour le filtrage et le stockage d'énergie, des varistances pour la protection des circuits, des connecteurs pour des calculateurs compacts, ainsi que des composants passifs RF et hyperfréquences et des antennes pour prendre en charge la connectivité.

Selon l'emplacement dans le véhicule, les exigences en matière de température, de chocs et de vibrations, d'humidité, de tensions transitoires, de décharges électrostatiques (DES) et d'autres facteurs environnementaux peuvent varier. Dans tous les cas, il faut des composants passifs qui répondent aux exigences AEC-Q200.

Les concepteurs doivent choisir avec soin parmi un large éventail de composants pour répondre de manière fiable aux défis de la conception automobile en général, et aux normes de performances AEC-Q200 en particulier. Cela peut se révéler difficile et fastidieux, en fonction du nombre et de la variété des composants concernés.

Pour s'assurer de relever les défis liés aux systèmes électroniques automobiles avancés tout en minimisant les délais de mise sur le marché, les concepteurs peuvent s'appuyer sur une source unique et éprouvée offrant une large sélection de composants déjà qualifiés pour l'automobile. Ces composants incluent des condensateurs, des dispositifs de protection des circuits, des connecteurs, des antennes et des composants passifs RF et hyperfréquences.

Cet article compare brièvement certaines caractéristiques de fonctionnement de différentes technologies de condensateurs à la disposition des développeurs et leur adéquation avec les applications, y compris des exemples de dispositifs de Kyocera AVX. Il présente ensuite des exemples de dispositifs de protection des circuits, de connecteurs, d'antennes et de composants passifs RF et hyperfréquences destinés à être utilisés dans des solutions automobiles.

Condensateurs automobiles

Pour des besoins applicatifs courants tels que 10 volts (V) ou moins et des capacités jusqu'à 100 microfarads (µF), plusieurs technologies de condensateurs se recoupent de manière significative en termes de capacité (Figure 1). Cela ne veut pas dire que ces condensateurs conviennent à toutes les applications. Ce sont les subtilités de leurs capacités de performances que les concepteurs doivent prendre en compte lors de la sélection. Les considérations importantes incluent les variations de capacité en fonction de la tension appliquée (coefficient de tension), les variations de capacité en fonction de la température (coefficient de température) et la variation de la résistance série équivalente (ESR) en fonction de la fréquence (courbe d'impédance).

Figure 1 : Diverses technologies de condensateurs sont similaires en termes de caractéristiques de tension et de capacité. (Source de l'image : Kyocera AVX)

Les condensateurs céramique multicouches (MLCC) répertoriés pour une haute valeur capacité-tension (CV) peuvent embarquer une haute capacité dans des boîtiers compacts. Certains condensateurs électrolytiques au tantale et tantale-polymère ont des empreintes communes avec les MLCC à haute valeur CV. Les condensateurs à l'oxyde de niobium ont des capacités volumétriques nominales légèrement inférieures. Les MLCC à haute valeur CV sont disponibles avec un choix de deux diélectriques :

• Le diélectrique X5R permet de produire les capacités nominales les plus élevées, jusqu'à 100 µF, dans les MLCC à haute valeur CV
• Les MLCC X7R sont typiquement limités à un maximum d'environ 22 µF mais ont une stabilité en température supérieure

Par exemple, le MLCC X7R 12103C106K4T4A est répertorié pour 10 µF et 25 V. Il présente une variation de température non linéaire de la capacité dans une fourchette de ±15 % de -55°C à +125°C. La capacité des diélectriques X7R varie également en fonction de la tension et de la fréquence. Les MLCC à diélectrique X7R peuvent être particulièrement adaptés aux applications dans lesquelles les changements connus de capacité dus aux tensions appliquées sont acceptables.

Coefficients de tension et de température

Bien qu'elle soit relativement stable, la capacité des MLCC à haute valeur CV diminue à mesure que la tension de polarisation augmente vers la tension nominale (RV). Les condensateurs au tantale, à l'oxyde de niobium et polymère ont des coefficients de tension plats. De plus, les MLCC à haute valeur CV connaissent des baisses de capacité à haute et basse température, tandis que les condensateurs au tantale, à l'oxyde de niobium et polymère ont des coefficients de température minimaux (Figure 2).

Figure 2 : Les condensateurs au tantale ont un coefficient de tension plat (deux graphiques de gauche) et un coefficient de température minimal (graphique de droite) par rapport aux MLCC. (Source de l'image : Kyocera AVX)

Résistance ESR par rapport à la fréquence

Les courbes d'impédance peuvent également être importantes. Les MLCC à haute valeur CV ont une résonance aiguë et une faible résistance ESR, tandis que les condensateurs au tantale et à l'oxyde de niobium ont des courbes d'impédance à large bande (Figure 3). La résistance ESR des dispositifs au tantale et oxyde de niobium augmente à basse température. Les condensateurs polymère ont des caractéristiques d'impédance à large bande, avec une résistance ESR plus faible par rapport aux condensateurs au tantale et à l'oxyde de niobium. De plus, la résistance ESR des dispositifs en polymère reste faible à basse température, alors que la résistance ESR des condensateurs au tantale et à l'oxyde de niobium augmente.

Figure 3 : Les condensateurs au tantale ont une courbe d'impédance à large bande (orange), tandis que les MLCC à haute valeur CV ont une résistance ESR plus faible (bleu). (Source de l'image : Kyocera AVX)

Condensateurs au tantale pour les calculateurs

Les concepteurs de calculateurs automobiles peuvent se tourner vers les condensateurs au tantale conformes AEC-Q200 série F97 de Kyocera AVX, disponibles avec des tensions nominales de 6,3 V à 35 V, une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +125°C et des capacités jusqu'à 150 µF. Par exemple, le F971A107MCC est répertorié pour 100 µF et 10 V.

Condensateurs polymère pour électronique de carrosserie

Les condensateurs polymère présentent une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +125°C, comme les condensateurs au tantale, mais ils sont disponibles avec une tension nominale jusqu'à 50 V contre 35 V pour les dispositifs au tantale. Les condensateurs polymère qualifiés AEC-Q200 série TCQ présentent des capacités jusqu'à 470 μF et une durée de vie nominale de 2000 heures à 125°C, soit le double de l'exigence de la spécification AEC-Q200. Les applications automobiles pour ces condensateurs incluent l'électronique de carrosserie, l'infodivertissement, les commandes de l'habitacle et les systèmes de confort, qui peuvent tirer parti de dispositifs tels que le TCQD337M004R0025E, répertorié à 330 µF et 4 V.

Oxyde de niobium pour les systèmes d'habitacle

Les condensateurs à l'oxyde de niobium comme la série OxiCap NOJ ont des valeurs de capacité atteignant 1000 μF et une tension nominale jusqu'à 10 V. Ces condensateurs sont conçus pour être utilisés dans des applications avec des tensions de fonctionnement jusqu'à 7 V, comme les modules de position des sièges, les commandes d'airbag et les systèmes d'infodivertissement. Ils présentent une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +105°C. Par exemple, le NOJC107M004RWJ est répertorié à 100 µF et 4 V. L'oxyde de niobium est une technologie intrinsèquement sûre, avec un mode de défaillance à haute résistance et sans combustion. Ces dispositifs sont également très fiables avec un taux de défaillance de 0,5 % par 1000 heures de fonctionnement à 85°C.

MLCC haute tension

En plus des conceptions à haute valeur CV, les MLCC sont disponibles avec des tensions nominales jusqu'à 5000 V. Le 1825CC154KAT2A de 630 V, 0,15 µF, qualifié AEC-Q200 de Kyocera AVX est conçu pour être utilisé dans les amortisseurs et les résonateurs des convertisseurs de puissance automobiles haute fréquence et pour le couplage haute tension ou le blocage CC. Ces conceptions de puces haute tension présentent une faible résistance ESR à haute fréquence.

Supercondensateurs

Les supercondensateurs sont utilisés dans les systèmes automobiles pour assurer une alimentation de secours, étendre la durée de vie des batteries et fournir des impulsions de puissance instantanées. La série SCC d'AVX est disponible avec des capacités de 1 farad (F) à 3000 F dans des dispositifs répertoriés à 2,7 V et 3,0 V. Le SCCV40E506SRB est répertorié à 50 F et 3 V, et présente une résistance ESR maximum de 20 milliohms (mΩ) (Figure 4). Sa technologie d'électrolyte à l'acétonitrile (ACN) offre une faible résistance ESR. Pour chaque détarage de 10°C ou 0,2 V, la durée de vie attendue des dispositifs ACN double, ce qui les rend adaptés aux applications à longue durée de vie. Des composants de la série SCC LE spécialement optimisée sont disponibles et présentent une résistance ESR encore plus faible.

Figure 4 : Les supercondensateurs tels que le SCCV40E506SRB peuvent fournir une alimentation de secours, étendre la durée de vie des batteries ou fournir des impulsions de puissance instantanées. (Source de l'image : Kyocera AVX)

Protection DES

La protection DES est requise dans la plupart des systèmes automobiles. Les varistances multicouches à faible tension de blocage TransGuard de Kyocera AVX sont qualifiées AEC-Q200 et conçues pour être utilisées lorsqu'un rapport tension de blocage/tension de fonctionnement plus faible est nécessaire. Elles offrent une protection bidirectionnelle contre la surtension DES, ainsi qu'une atténuation des interférences électromagnétiques et des perturbations radioélectriques (EMI/RFI) dans un seul composant pour des applications telles que les calculateurs, les systèmes d'infodivertissement et les écrans d'habitacle. Le VLAS080516C350RP a une tension de fonctionnement de 16 V en courant continu (V_CC) ou de 11 V en courant alternatif (VCA), une tension de claquage de 19,5 V +12 %, et une tension de blocage de 35 V avec une capacité de 900 picofarads (pF) (Figure 5).

Figure 5 : Le VLAS080516C350RP est une varistance multicouche à faible tension de blocage qui assure une protection DES bidirectionnelle et une atténuation EMI/RFI. (Source de l'image : Kyocera AVX)

La gamme de dispositifs à faible capacité qualifiés AEC-Q200 ASPGuard de Kyocera AVX est destinée aux applications telles que les systèmes RF, les capteurs, les lignes de données haute vitesse et d'autres cas où les circuits sensibles à la capacité doivent être protégés contre une haute énergie. Les dispositifs de protection DES ASPGuard présentent un faible courant de fuite, ainsi qu'une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +150°C et une tension de fonctionnement de 18 à 70 V_CC. Par exemple, le VCAS04AP701R5YATWA est répertorié pour 70 V_CC avec une capacité de 1,55 ±0,13 pF et un courant de fuite de 0,1 microampère (μA).

Connecteurs de carte enfichables pour calculateurs

Les calculateurs automobiles à haute densité requièrent des solutions d'interconnexion à plus haute densité telles que le connecteur de carte enfichable à 12 positions 009159012651916, illustré à la Figure 6. La série de connecteurs 9159-650 à double rangée est disponible de 4 à 12 positions et fonctionne avec des rangées de contacts décalées qui permettent deux fois plus de positions qu'une conception à une rangée de taille similaire. Ces connecteurs de carte enfichables sont disponibles avec et sans polarisation. Les connecteurs polarisés exigent que le circuit imprimé contienne un détrompeur pour empêcher toute insertion incorrecte. Ces connecteurs sont conçus pour être utilisés avec des circuits imprimés de 1,6 millimètre (mm) d'épaisseur. Leurs contacts sont plaqués or et, lorsqu'ils sont raccordés avec des pastilles plaquées or sur le circuit imprimé, ils offrent de hauts niveaux de fiabilité et d'intégrité des signaux, et peuvent supporter un courant de 2,5 A.

Figure 6 : Le connecteur de carte enfichable à 12 positions 009159012651916 peut répondre aux besoins de connectivité des calculateurs à haute densité. (Source de l'image : Kyocera AVX)

Connectivité des véhicules

Les antennes, les inductances et les coupleurs directionnels RF et hyperfréquences sont nécessaires pour une gamme croissante d'applications, notamment les systèmes de localisation, le télédéverrouillage et la connectivité véhicule-à-tout (V2X). Les coupleurs directionnels constituent un élément important de nombreuses chaînes de signaux RF. Ils sont utilisés pour échantillonner les signaux RF avec un isolement élevé et une faible perte d'insertion entre le signal et les ports échantillonnés afin de prendre en charge l'analyse, la mesure et le traitement. Par exemple, le CP0603A0836ANTR est un coupleur directionnel RF qui fonctionne dans la bande de 824 à 849 mégahertz (MHz) avec un couplage de 20,0 décibels (dB), une perte d'insertion maximum de 0,25 dB, une perte par réflexion de 28 dB et une directivité de 22 dB.

L'accord de l'antenne RF est important dans les applications RF automobiles hautes performances telles que les systèmes d'aide à la conduite, les communications V2X et la connectivité dans l'habitacle. L'inductance d'accord RF L0201R39AHSTR\500 a une inductance fixe de 0,39 (±0,05) nanohenry (nH) à 450 MHz, et elle est répertoriée pour 550 mA avec une résistance maximum de 100 milliohms (mΩ). Elle est fabriquée à l'aide d'une construction multicouche robuste à couches minces supportant l'assemblage automatique.

Des antennes compactes et efficaces sont essentielles dans les systèmes RF. La norme AEC-Q200 ne s'applique pas directement aux antennes, mais Kyocera AVX teste ses antennes répertoriées automobiles en suivant de près les procédures et les exigences AEC-Q200. Les antennes série A qui en résultent, comme l'antenne Wi-Fi, Bluetooth et Zigbee A1001013, sont recommandées pour les applications automobiles (Figure 7).

Figure 7 : L'antenne répertoriée automobile A1001013 est conçue pour être utilisée dans les applications Wi-Fi, Bluetooth et Zigbee. (Source de l'image : Kyocera AVX)

Conclusion

Les véhicules autonomes et connectés mettent de plus en plus les concepteurs au défi d'identifier et de sélectionner une large gamme de composants passifs qualifiés AEC-Q200 afin de garantir un fonctionnement robuste, fiable et efficace. Le processus peut être accéléré en faisant appel à un partenaire fiable, capable de fournir des antennes, des composants passifs RF et hyperfréquences, des connecteurs, des dispositifs de protection des circuits et des condensateurs répertoriés automobiles.

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