Soddisfare le esigenze in continua evoluzione della progettazione automotive con componenti avanzati

Le applicazioni automotive devono far fronte a una serie complessa di requisiti, dalle esigenze fondamentali di elevate prestazioni, affidabilità e sicurezza dei sottosistemi elettronici alla crescente richiesta di varie opzioni di connettività. Soddisfare questi requisiti è complicato, perché gli ambienti automotive sono difficili, richiedono sottosistemi sempre più compatti e tendono a privilegiare i veicoli elettrici (EV) e ibridi ad alta tensione.

Gli sviluppatori hanno bisogno di un'ampia gamma di condensatori, dispositivi di protezione dei circuiti e antenne a radiofrequenza (RF) in grado di soddisfare o superare gli standard AEC-Q200 e di rispondere alle sfide legate a prestazioni, affidabilità, sicurezza e connettività nei progetti automotive. Per superare queste sfide, i progettisti di sistemi automotive possono rivolgersi a un'azienda esperta in condensatori qualificati Automotive Electronic Council Qualifications 200 (AEC-Q200), dispositivi di protezione dei circuiti e antenne RF conformi. In questo modo risparmiano tempo e aumentano le probabilità di successo del progetto.

Questo articolo fornisce una breve panoramica delle principali tendenze e sfide progettuali delle emergenti applicazioni automotive. Presenta quindi le soluzioni di Kyocera AVX e mostra come possono aiutare ad affrontare queste sfide.

Le tendenze del settore automotive stanno ridefinendo i requisiti di progettazione

La richiesta di un maggior numero di funzioni e funzionalità ha fatto aumentare drasticamente la quantità di dispositivi elettronici nei veicoli automotive. Insieme ai sottosistemi più orientati al consumatore, come i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), i sottosistemi elettronici integrati contribuiscono a migliorare la sicurezza, l'efficienza e il comfort dei veicoli tradizionali a benzina e dei veicoli elettrici. In particolare nei veicoli elettrici, i sottosistemi elettronici svolgono un ruolo centrale nel garantire la potenza e l'efficienza dei gruppi propulsori ad alta tensione e dei sistemi di gestione delle batterie.

Le tendenze del settore impongono agli sviluppatori di sottosistemi elettronici automotive tradizionali ed EV di fornire progetti più compatti ed economici, senza compromettere i livelli di prestazione, affidabilità e sicurezza. I componenti conformi AEC-Q200 di Kyocera AVX soddisfano i diversi requisiti dei molteplici sistemi elettronici necessari per supportare queste tendenze emergenti.

I condensatori soddisfano i requisiti fondamentali della progettazione automotive

I condensatori di Kyocera AVX soddisfano i requisiti fondamentali di prestazioni, affidabilità e sicurezza dei sottosistemi elettronici automotive. Basati su una varietà di tecnologie, questi condensatori offrono ai progettisti la combinazione necessaria di caratteristiche nominali, funzionalità, confezionamento e tipi di montaggio, comprese le versioni in tecnologia a montaggio superficiale (SMT) e a conduttori radiali.

I progettisti spesso si affidano ai condensatori ceramici multistrato (MLCC), come la famiglia di MLCC SMT automotive qualificata AEC-Q200 di Kyocera AVX, per le applicazioni che richiedono un ingombro minimo con un'elevata affidabilità, un'alta capacità e una bassa resistenza equivalente in serie (ESR). Ad esempio, il modello KAS21BR72A222JM è un MLCC da 2200 pF e 100 V, disponibile in un contenitore SMT standard 0805 di 2,01 × 1,25 mm.

In passato, gli MLCC tradizionali utilizzati nella progettazione automotive spesso si guastavano a causa delle sollecitazioni meccaniche e della mancata corrispondenza tra il coefficiente di espansione termica del dispositivo e quello della scheda a circuiti stampati. Kyocera AVX risolve questo problema con l'innovativa tecnologia FLEXITERM, che incorpora uno strato polimerico conduttivo per mantenere la connessione elettrica tra l'elettrodo del condensatore e la terminazione, anche in caso di flessione, vibrazioni ed espansione termica della scheda. Questo strato contribuisce a ridurre le fonti di guasto più comuni senza aumentare l'ESR del condensatore.

Per un'ulteriore protezione contro i guasti nelle applicazioni critiche per la sicurezza, alcuni MLCC AVX di Kyocera, tra cui il modello KAS21BR72A222JM, combinano la tecnologia FLEXITERM con FLEXISAFE. Gli MLCC FLEXISAFE di Kyocera AVX (Figura 1) utilizzano una struttura interna degli elettrodi a cascata per fornire due condensatori in serie in un unico contenitore MLCC.

Figura 1: La tecnologia FLEXITERM MLCC di Kyocera AVX incorpora uno strato polimerico conduttivo tra l'elettrodo e la terminazione per mantenere la connessione elettrica tra il dispositivo e la scheda nonostante le sollecitazioni meccaniche e l'espansione termica. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

Con questa struttura a cascata, anche se uno dei condensatori in serie interni dell'MLCC FLEXISAFE dovesse cortocircuitare, questi dispositivi manterranno la loro capacità nominale.

Garantire prestazioni stabili nei progetti automotive

Oltre all'elevata affidabilità, molti sottosistemi automotive dipendono da prestazioni altamente stabili e a basse perdite, con variazioni minime della capacità dovute alla temperatura, alla tensione o all'invecchiamento. Per questi progetti, gli sviluppatori possono optare per i condensatori dielettrici C0G (NP0) qualificati AEC-Q200 di Kyocera AVX, come l'MLCC SMT 08051A102J4T2A da 1000 pF o l'MLCC a conduttori radiali AR215A102J4R da 1000 pF.

Basati su uno dei dielettrici più stabili, i condensatori dielettrici C0G (NP0) di Kyocera AVX hanno tolleranze ristrette ed eccellenti caratteristiche di stabilità, tra cui:

• Deriva o isteresi di capacità trascurabile: meno di ±0,05% rispetto a ±2% dei condensatori a film
• Effetti minimi dovuti all'invecchiamento: la variazione tipica della capacità è inferiore a ±0,1% per C0G (NP0), un quinto rispetto alla maggior parte degli altri dielettrici (Figura 2, a sinistra)
• Variazione minima della capacità con la temperatura: solo 0 ±30 ppm/°C, meno di ±0,3% °C in tutto l'intervallo di temperatura nominale di questi dispositivi, da -55 °C a +125 °C (Figura 2, a destra)

Figura 2: I condensatori dielettrici C0G (NP0) qualificati AEC-Q200 assicurano un funzionamento stabile con l'età (a sinistra) e nel loro intervallo di temperatura di funzionamento (a destra). (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

Gestione dei requisiti automotive impegnativi

L'avvento dei veicoli elettrici e ibridi ha stimolato la domanda di condensatori in grado di sopportare l'ambiente ad alta tensione di queste tipologie di veicoli. Kyocera AVX soddisfa questa esigenza con la serie SkyCap AR di condensatori ceramici qualificati AEC-Q200, come il condensatore a conduttori radiali AR30HC102K4R da 1000 pF, con una tensione nominale di 3000 V.

La proliferazione dei sensori nei sottosistemi automotive richiede condensatori in grado di funzionare in modo affidabile in ambienti ad alta temperatura, ad esempio nel vano motori, nella trasmissione e nei sistemi di frenatura. I componenti della famiglia SkyCap AR, basati sul dielettrico X8R, hanno un intervallo di temperatura di funzionamento compreso tra -55 °C e +150 °C e offrono vari livelli di capacità, fino a 0,33 µF nel modello AR205F334K4R.

Per il funzionamento a temperature ancora più elevate, la serie THJ di condensatori al tantalio di Kyocera AVX offre un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -55 °C e +175 °C in dispositivi con capacità che vanno da 0,1 µF in THJA104K035RJN a 220 µF in THJE227K010RJN. Il primo è prodotto in un contenitore SMT standard 1206 (3,2 × 1,6 mm) e il secondo in un contenitore SMT standard 2917 (7,3 × 4,3 mm).

Soluzioni più compatte stanno diventando sempre più importanti nei veicoli. Gli array di condensatori serie W2A, qualificati AEC-Q200, di Kyocera AVX a componenti passivi integrati (IPC), forniscono due o quattro condensatori in un unico contenitore 0508 (1,3 × 2,1 mm). W3A43C104K4Z2A, che fa parte della serie W3A di condensatori IPC AEC-Q200 dell'azienda, è un array di condensatori ceramici IPC FLEXITERM che integra quattro condensatori da 0,1 µF in un unico contenitore 0612 (1,6 × 3,2 mm). Questa combinazione di caratteristiche fornisce una soluzione compatta in grado di resistere alle sollecitazioni meccaniche e termiche, offrendo al contempo un significativo risparmio di spazio sulla scheda rispetto ai progetti che utilizzano condensatori discreti (Figura 3).

Figura 3: Prodotto in un contenitore 0612, un array di condensatori W3A a quattro elementi, come W3A43C104K4Z2A, è in grado di resistere alle sollecitazioni meccaniche e termiche, offrendo al contempo un significativo risparmio di spazio sulla scheda. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

L'ampia gamma di condensatori qualificati AEC-Q200 di Kyocera AVX soddisfa requisiti sempre più diversificati; tuttavia, le architetture EV più avanzate e a più alta tensione aggiungono altri requisiti per una robusta protezione dei circuiti.

Protezione dell'elettronica sensibile nel difficile ambiente automotive

I varistori multistrato TransGuard qualificati AEC-Q200 di Kyocera AVX, sono progettati per una protezione robusta, fornendo una protezione bidirezionale contro le sovratensioni per salvaguardare l'elettronica sensibile dell'ambiente automotive. Offrono inoltre l'attenuazione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) e delle interferenze in radiofrequenza (RFI) necessaria per mitigare la distorsione del segnale e soddisfare i requisiti normativi. Nel fornire una protezione bidirezionale dalle sovratensioni, questi componenti funzionano in modo simile ai diodi Zener in opposizione di fase, ma con un tempo di risposta inferiore a 1 ns (Figura 4), che consente loro di contrastare più rapidamente gli eventi di sovratensione.

Figura 4: Sebbene i varistori TransGuard funzionino in modo simile ai diodi Zener in opposizione di fase, hanno un tempo di attivazione molto più rapido, garantendo una risposta veloce agli eventi di sovratensione. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

I componenti della famiglia TransGuard soddisfano molteplici requisiti prestazionali di elevata affidabilità, gestione di correnti elevate ed elevato assorbimento di energia. Per molte applicazioni a bassa energia, come la protezione dei sistemi di sensori, VCAS040205X150WP è una soluzione efficace grazie alla tensione di lavoro di 5,6 V c.c., alla tensione di tenuta all'impulso di 18 V e alla corrente di picco di 20 A con una temperatura di funzionamento compresa tra -55 °C e +125 °C. Per le applicazioni ad alta energia e ad alta temperatura nel vano motori e altrove, VGAH322026Z570DP soddisfa i requisiti, con valori di corrente di picco di 1,8 kA e di energia di 13 J in un intervallo di funzionamento compreso tra +55 °C e +150 °C. La serie TransGuard FLEXITERM offre dispositivi con molte caratteristiche di protezione simili, oltre a una robusta protezione contro le sollecitazioni meccaniche e l'espansione termica.

Per aiutare gli sviluppatori a proteggere i circuiti automotive in applicazioni sensibili alla temperatura o in luoghi soggetti alle alte temperature, la famiglia di termistori a coefficiente di temperatura negativo (NTC) qualificati AEC-Q200 di Kyocera AVX supporta un'ampia gamma di prestazioni e requisiti di produzione attraverso diverse serie, tra cui:

• Serie NB, comprendente termistori SMT per la saldatura senza piombo
• Serie NC, comprendente termistori SMT per l'assemblaggio ibrido
• Serie ND03 e serie NJ28, comprendenti termistori con conduttori

Per il rilevamento ad alta precisione della temperatura, i componenti della famiglia, come il termistore con conduttori NJ28PA0203F, forniscono la tolleranza necessaria e l'elevata variazione di resistenza con la temperatura. Per le applicazioni di controllo o compensazione della temperatura, componenti come NC20R00105JBA sono in grado di fornire un rilevamento stabile in un ampio intervallo di temperatura.

L'avvento del veicolo connesso

Poiché la connettività wireless tra e all'interno dei veicoli è sempre più essenziale, le antenne RF serie A di Kyocera AVX soddisfano i requisiti emergenti di più tecnologie di connettività e larghezze di banda (Figura 5).

Figura 5: Le antenne RF serie A sono una soluzione standard per la crescente domanda di diverse opzioni di connettività in più sottosistemi automotive. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

Progettate per una facile implementazione e un rapido time-to-market, queste antenne supportano le principali tecnologie di connettività per le comunicazioni personali, la rete dati, i sistemi di sicurezza e la navigazione con i seguenti dispositivi:

• Antenna a banda larga AP822601 per connettività cellulare, Wi-Fi e in banda ISM (Industrial, Scientific, Medical)
• Antenna A9002137 per sistema di navigazione satellitare globale (GNSS) che supporta le frequenze più utilizzate per la navigazione personale e commerciale
• Antenna A9001978 per connettività Wi-Fi, Bluetooth dual-band o in banda ultralarga (UWB)

Sebbene lo standard AEC-Q200 non riguardi esplicitamente i prodotti antenna, le antenne RF serie A sono testate rigorosamente alla luce dei requisiti e delle procedure delineate nello standard, per fornire agli sviluppatori il livello di affidabilità e di prestazioni necessario nei sistemi automotive.

Conclusione

Con il rapido avanzamento del settore automotive verso veicoli ad alto contenuto elettronico, i progettisti richiedono componenti che offrano maggiori prestazioni, affidabilità, sicurezza e connettività in ambienti sempre più compatti ed esigenti. Kyocera AVX aiuta ad affrontare queste sfide con un'ampia gamma di condensatori conformi AEC-Q200, dispositivi di protezione dei circuiti e antenne RF.