Garantire sistemi automotive affidabili con un'attenta selezione e l'uso oculato di componenti passivi

La domanda di elettronica per autoveicoli è in crescita in una serie di applicazioni, tra cui unità di controllo elettronico (ECU), sistemi di infotainment, sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e molto altro. I sistemi elettronici automotive si affidano a una serie di componenti ad alte prestazioni per garantire prestazioni affidabili e robuste, tra cui condensatori per il filtraggio e l'immagazzinamento dell'energia, varistori per la protezione dei circuiti, connettori per ECU compatte e componenti passivi RF e a microonde e antenne per supportare la connettività.

In vari punti di un veicolo, i requisiti di temperatura, urti e vibrazioni, umidità, tensioni transitorie, scariche elettrostatiche (ESD) e altri fattori ambientali possono variare. In tutti i casi, sono necessari componenti passivi che soddisfino i requisiti AEC-Q200.

I progettisti devono scegliere con cura tra una serie di componenti per rispondere in modo affidabile alle sfide della progettazione automobilistica in generale, e in particolare agli standard prestazionali AEC-Q200. Questa operazione può essere difficile e richiedere molto tempo, a seconda del numero e della varietà dei componenti coinvolti.

Per affrontare le sfide legate ai sistemi elettronici automotive avanzati, riducendo al minimo il time-to-market, i progettisti possono avvalersi di un'unica fonte comprovata con un'ampia selezione di componenti già qualificati per il settore automotive. Questi includono condensatori, dispositivi di protezione dei circuiti, connettori e componenti passivi RF e a microonde e antenne.

Questo articolo confronta brevemente alcune caratteristiche operative di diverse tecnologie di condensatori disponibili per i progettisti e la loro idoneità a seconda dell'applicazione, compresi i dispositivi di esempio di Kyocera AVX. Vengono quindi presentati esempi di dispositivi di protezione dei circuiti, connettori, componenti passivi a radiofrequenza e microonde e antenne da utilizzare nelle soluzioni automotive.

Condensatori automotive

Per le esigenze applicative comuni, come 10 V o meno e capacità fino a 100 µF, diverse tecnologie di condensatori si sovrappongono in modo significativo in termini di capacità (Figura 1). Ciò non significa che siano ugualmente adatti per ogni applicazione. Sono i dettagli delle loro prestazioni che i progettisti devono considerare al momento della scelta. Alcune considerazioni importanti riguardano le variazioni di capacità con la tensione applicata (coefficiente di tensione), le variazioni di capacità con la temperatura (coefficiente di temperatura) e la variazione della resistenza equivalente in serie (ESR) con la frequenza (curva di impedenza).

Figura 1: Le tecnologie dei condensatori sono simili dal punto di vista della tensione e della capacità nominale. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

I condensatori ceramici multistrato (MLCC) ad alta capacità-tensione (CV) possono racchiudere una grande capacità in piccoli contenitori. Alcuni condensatori al tantalio solido e ai polimeri di tantalio hanno ingombri comuni con gli MLCC ad alto CV. I condensatori all'ossido di niobio hanno valori di capacità volumetrica leggermente inferiori. Gli MLCC ad alto CV sono disponibili con una scelta di due dielettrici:

• Il dielettrico X5R è in grado di produrre i valori di capacità più elevati, fino a 100 µF, negli MLCC ad alto CV.
• Gli MLCC X7R sono tipicamente limitati a un massimo di circa 22 µF, ma presentano una stabilità di temperatura superiore.

Ad esempio, l'MLCC 12103C106K4T4A X7R ha un valore nominale di 10 µF e 25 V. La variazione di temperatura della capacità non lineare è compresa tra ±15% e -55 e +125 °C. Anche la capacità degli X7R varia con la tensione e la frequenza. Gli MLCC con dielettrico X7R sono particolarmente adatti per le applicazioni in cui sono accettabili le variazioni note della capacità dovute alle tensioni applicate.

Coefficienti di tensione e temperatura

Pur essendo relativamente stabili, la capacità degli MLCC ad alto CV diminuisce con l'aumento della tensione di polarizzazione verso la tensione nominale (RV). I condensatori al tantalio, all'ossido di niobio e ai polimeri hanno coefficienti di tensione piatti. Inoltre, gli MLCC ad alto CV subiscono una diminuzione della capacità alle alte e alle basse temperature, mentre i condensatori al tantalio, all'ossido di niobio e ai polimeri hanno coefficienti di temperatura minimi (Figura 2).

Figura 2: I condensatori al tantalio hanno un coefficiente di tensione piatto (due grafici a sinistra) e un coefficiente di temperatura minimo (grafico a destra) rispetto agli MLCC. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

ESR rispetto alla frequenza

Anche le curve di impedenza possono essere importanti. Gli MLCC ad alto CV hanno una risonanza netta e una bassa ESR, mentre i condensatori all'ossido di tantalio e niobio hanno curve di impedenza a banda larga (Figura 3). Le ESR dei dispositivi all'ossido di tantalio e di niobio aumentano a basse temperature. I condensatori polimerici hanno caratteristiche di impedenza a banda larga, con ESR inferiori rispetto a tantalio e ossidi di niobio. Inoltre, la ESR dei dispositivi polimerici rimane bassa a basse temperature, mentre le ESR dei condensatori al tantalio e all'ossido di niobio aumentano.

Figura 3: I condensatori al tantalio hanno una curva di impedenza a banda larga (arancione), mentre gli MLCC ad alto CV hanno una ESR più bassa (blu). (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

Condensatori al tantalio per ECU

I progettisti di ECU automotive possono rivolgersi ai condensatori al tantalio serie F97 di Kyocera AVX, conformi alla normativa AEC-Q200, disponibili con tensioni nominali da 6,3 a 35 V, un intervallo della temperatura di funzionamento da -55 a 125 °C e capacità fino a 150 µF. Ad esempio, F971A107MCC ha una capacità nominale di 100 µF e 900 V (Figura 4).

Condensatori polimerici per l'elettronica di bordo

I condensatori polimerici hanno una temperatura di funzionamento compresa tra -55 e +125 °C, come quelli al tantalio, ma i polimeri sono disponibili con RV fino a 50 V rispetto ai 35 V dei dispositivi al tantalio. I condensatori polimerici serie TCQ, qualificati AEC-Q200, hanno capacità fino a 470 μF e una durata nominale di 2.000 ore a 125 °C, il doppio dei requisiti della specifica AEC-Q200. Le applicazioni automotive per questi condensatori comprendono l'elettronica di bordo, l'infotainment, i comandi dell'abitacolo e i sistemi di comfort, che possono trarre vantaggio da dispositivi come TCQD337M004R0025E, con una tensione nominale di 330 µF e 4 V.

Ossido di niobio per sistemi di bordo

I condensatori all'ossido di niobio come la serie NOJ di OxiCap hanno valori di capacità fino a 1000 μF e RV fino a 10 V. Questi condensatori sono progettati per l'uso in applicazioni con tensioni di funzionamento fino a 7 V, come i moduli di regolazione dei sedili, i comandi degli airbag e i sistemi di infotainment. Vantano un intervallo della temperatura di funzionamento da -55 a +105 °C. Ad esempio, NOJC107M004RWJ ha una capacità nominale di 100 µF e 4 V. L'ossido di niobio è una tecnologia intrinsecamente sicura, con un'elevata resistenza e una modalità di guasto senza bruciare. Sono anche altamente affidabili, con un tasso di guasto dello 0,5% per 1.000 ore di funzionamento a 85 °C.

MLCC ad alta tensione

Oltre ai progetti ad alto CV, gli MLCC sono disponibili con tensioni nominali fino a 5.000 V. Il modulo 1825CC154KAT2A di Kyocera AVX, qualificato AEC-Q200, da 630 V e 0,15 µF, è progettato per l'uso in snubber e risonatori in convertitori di potenza automotive ad alta frequenza e per l'accoppiamento ad alta tensione o il blocco della corrente continua. Questi chip ad alta tensione hanno una bassa ESR alle alte frequenze.

Supercondensatori

I supercondensatori sono utilizzati nei sistemi automotive per la potenza di riserva, per prolungare la durata delle batterie e per fornire impulsi di potenza istantanei. La serie SCC di AVX è disponibile con capacità da 1 a 3.000 F in dispositivi da 2,7 e 3,0 V. SCCV40E506SRB ha una tensione nominale di 50 F e 3 V e una ESR massima di 20 mΩ (Figura 4). La tecnologia dell'elettrolita acetonitrile (ACN) garantisce una bassa ESR. Per ogni 10 °C o 0,2 V di declassamento, la durata prevista dei dispositivi ACN raddoppia, rendendoli adatti ad applicazioni di lunga durata. Sono disponibili componenti della serie SCC LE appositamente ottimizzati, caratterizzati da una ESR ancora più bassa.

Figura 4: I supercondensatori come SCCV40E506SRB possono fornire energia di riserva, estendere la durata della batteria o fornire impulsi di potenza istantanei. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

Protezione ESD

La protezione ESD è necessaria nella maggior parte dei sistemi automotive. I varistori multistrato a bassa tenuta all'impulso TransGuard di Kyocera AVX sono qualificati AEC-Q200 e progettati per l'uso quando è necessario un rapporto più basso tra tensione di tenuta all'impulso e tensione di lavoro. Forniscono protezione bidirezionale contro le sovratensioni ESD e attenuazione delle interferenze elettromagnetiche e di radiofrequenza (EMI/RFI) in un unico componente per applicazioni quali ECU, sistemi di infotainment e display di bordo. VLAS080516C350RP ha una tensione di lavoro di 16 V in corrente continua (V_c.c.) o 11 V in V c.a., una tensione di rottura di 19,5 V +12% e una tensione di tenuta all'impulso di 35 V con una capacità di 900 pF (Figura 5).

Figura 5: VLAS080516C350RP è un varistore multistrato con bassa tenuta all'impulso che fornisce protezione ESD bidirezionale e attenuazione EMI/RFI. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

La linea di dispositivi ASPGuard a bassa capacità qualificati AEC-Q200 di Kyocera AVX è progettata per applicazioni come sistemi RF, sensori, linee dati ad alta velocità e altri luoghi in cui i circuiti sensibili alla capacità devono essere protetti da alti livelli di energia. I dispositivi di protezione ESD ASPGuard sono caratterizzati da una bassa corrente di dispersione, da una temperatura di funzionamento compresa tra -55 e +150 °C e da tensioni di funzionamento comprese tra 18 e 70 V_c.c.. Ad esempio, VCAS04AP701R5YATWA è classificato per 70 V_c.c. con una capacità di 1,55 ±0,13 pF e una corrente di dispersione di 0,1 μA.

Connettori bordo scheda per ECU

Le ECU automotive ad alta densità richiedono soluzioni di interconnessione ad alta densità, come il connettore bordo scheda a 12 posizioni 009159012651916 mostrato nella Figura 6. La serie di connettori su doppia fila 9159-650 è disponibile da 4 a 12 posizioni ed è caratterizzata da file di contatti sfalsati che consentono un numero di posizioni doppio rispetto a un design simile a fila singola. Questi connettori bordo scheda sono disponibili polarizzati e non polarizzati. I connettori polarizzati richiedono che la scheda CS includa una chiavetta per evitare l'inserimento errato. Questi connettori sono progettati per l'uso con schede CS di 1,6 mm di spessore. Hanno contatti dorati e, se accoppiati con le piazzole dorate sulla scheda CS, garantiscono alti livelli di affidabilità e integrità del segnale e possono trasportare 2,5 A di corrente.

Figura 6: Il connettore bordo scheda a 12 posizioni 009159012651916 può supportare le esigenze di connettività delle ECU ad alta densità. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

Connettività nei veicoli

Gli accoppiatori direzionali, gli induttori e le antenne RF e a microonde sono necessari per una gamma crescente di applicazioni, tra cui i sistemi di localizzazione, l'accesso senza chiave e la connettività vehicle-to-everything (V2X). Gli accoppiatori direzionali sono un elemento importante di molte catene di segnali RF. Sono utilizzati per campionare i segnali RF con un elevato isolamento e una bassa perdita di inserzione tra il segnale e le porte campionate per supportare l'analisi, la misurazione e l'elaborazione. Ad esempio, CP0603A0836ANTR è un accoppiatore direzionale RF funzionante nella banda da 824 a 849 MHz con 20,0 dB di accoppiamento, 0,25 dB di perdita di inserzione massima, 28 dB di attenuazione di riflessione e 22 dB di direttività.

La sintonizzazione dell'antenna RF è importante per le applicazioni RF ad alte prestazioni nel settore automotive, come ADAS, comunicazioni V2X e connettività di bordo. L'induttore RF L0201R39AHSTR\500 ha un'induttanza fissa di 0,39 (±0,05) nH a 450 MHz e ha una potenza nominale di 550 mA con una resistenza massima di 100 mΩ. È realizzato con una robusta struttura multistrato a film sottile che supporta l'assemblaggio automatico.

Le antenne compatte ed efficienti sono un componente fondamentale dei sistemi RF. AEC-Q200 non si applica direttamente alle antenne, ma Kyocera AVX testa le proprie antenne per il settore automotive attenendosi strettamente alle procedure e ai requisiti AEC-Q200. Le antenne serie A che ne derivano, come l'antenna A1001013 per Wi-Fi, Bluetooth e Zigbee, sono consigliate per le applicazioni automotive (Figura 7).

Figura 7: L'antenna automotive A1001013 è progettata per l'uso in applicazioni Wi-Fi, Bluetooth e Zigbee. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

Conclusione

I veicoli autonomi e connessi sfidano sempre più i progettisti a individuare e selezionare un'ampia gamma di componenti passivi qualificati AEC-Q200 per garantire un funzionamento robusto, affidabile ed efficiente. Il processo può essere accelerato affidandosi a un partner noto in grado di fornire condensatori, dispositivi di protezione dei circuiti, connettori, componenti passivi RF e a microonde e antenne di classe automotive.

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