Come scegliere gli induttori di potenza su coassiale per ADAS e infotainment

I progettisti di sistemi automotive si stanno orientando sempre più verso architetture di potenza su coassiale (PoC) per fornire sia alimentazione sia dati ad alta velocità tramite un unico cavo. Questo approccio riduce l'ingombro dei cavi e semplifica la progettazione del sistema, in particolare nei sottosistemi ad alta intensità di dati come i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), l'infotainment e i gruppi propulsori basati su sensori. Tuttavia, l'implementazione di un affidabile circuito T di polarizzazione PoC richiede un'attenta selezione dell'induttore per gestire le esigenze contrastanti di alimentazione e trasmissione dei dati.

Questo articolo presenta una panoramica sulla progettazione dei circuiti T di polarizzazione PoC. Presenta quindi gli induttori PoC per applicazioni automotive di Murata e illustra come supportano i progettisti nell'ottimizzazione dei circuiti T di polarizzazione per i gruppi propulsori, la sicurezza dei veicoli e i sistemi di infotainment. Infine, descrive due utili strumenti per la selezione degli induttori.

L'importanza della progettazione di circuiti T di polarizzazione per il PoC automotive

I circuiti T di polarizzazione svolgono un ruolo fondamentale nei sistemi PoC separando l'alimentazione c.c. dai segnali di dati ad alta velocità. Una tipica applicazione PoC nel settore automotive utilizza cavi coassiali per collegare sensori e unità di controllo, con circuiti T di polarizzazione su ciascuna estremità per gestire i percorsi di potenza e del segnale (Figura 1). Gli induttori in questi circuiti bloccano i segnali ad alta frequenza per mantenere pulita l'alimentazione, mentre i condensatori impediscono alla tensione c.c. di raggiungere i sensibili moduli serializzatori/deserializzatori (SerDes).

Figura 1: Una tipica applicazione PoC utilizza circuiti T di polarizzazione su ciascuna estremità di un cavo coassiale per separare l'alimentazione c.c. dai segnali dati ad alta velocità. (Immagine per gentile concessione di Murata)

La progettazione della porzione induttiva di un circuito T di polarizzazione richiede un'attenzione particolare ai dettagli. Per evitare la dispersione del segnale sulla linea di alimentazione, l'induttore deve mantenere un'alta impedenza su un ampio campo di frequenza. Se l'impedenza è inadeguata, l'energia residua del segnale può causare fluttuazioni di potenza che compromettono le prestazioni del sistema.

In pratica, un singolo induttore potrebbe non bloccare a sufficienza il segnale su tutte le frequenze di interesse. Di conseguenza, i progettisti spesso utilizzano più induttori, insieme ai relativi resistori e condensatori, per sopprimere le antirisonanze, ossia le bande di frequenza strette in cui l'impedenza diminuisce e il filtraggio diventa inefficace. Questi effetti derivano dall'interazione di più componenti con risposte in frequenza diverse.

Sfide nella progettazione di circuiti T di polarizzazione PoC

Sebbene le configurazioni multi-induttore possano estendere il raggio di blocco di un circuito T di polarizzazione, queste introducono anche complessità, poiché ogni induttore aggiunto aumenta il rischio di antirisonanza. La gestione di queste interazioni richiede resistori e condensatori aggiuntivi, che aumentano ulteriormente il numero di componenti e il lavoro di progettazione.

Per ridurre tale complessità, i progettisti spesso puntano a ridurre al minimo il numero di induttori necessari. Un unico induttore a banda larga riduce la probabilità degli effetti di antirisonanza, migliora la costanza del filtraggio e contribuisce al risparmio di spazio prezioso sulla scheda. Quest'ultimo aspetto è fondamentale nei sottosistemi compatti del settore automotive.

La difficoltà consiste nel selezionare un induttore con il giusto mix di impedenza, risposta in frequenza e altre caratteristiche elettriche. Ciò è difficile in parte perché le applicazioni PoC hanno requisiti diversi. I gruppi propulsori, i sistemi ADAS e infotainment hanno combinazioni diverse di requisiti in termini di distribuzione dell'energia elettrica e larghezza di banda dei dati, con notevoli variazioni tra i requisiti delle singole applicazioni all'interno di ciascuna categoria.

Un approccio con induttore singolo alla progettazione di circuiti T di polarizzazione PoC

Per soddisfare queste esigenze, Murata ha sviluppato una famiglia di induttori progettati specificamente per i circuiti T di polarizzazione PoC per il settore automotive. La famiglia comprende un'ampia gamma di caratteristiche prestazionali e offre ai progettisti la flessibilità necessaria per soddisfare le esigenze di diverse applicazioni.

Ogni soluzione di questa famiglia offre un'alta impedenza su un ampio campo di frequenza, una caratteristica prestazionale che in precedenza avrebbe richiesto il ricorso a più induttori. Questa funzione blocca in modo efficace il segnale, riducendo al minimo le dimensioni e la complessità del circuito T di polarizzazione. Altre caratteristiche che supportano gli obiettivi di progettazione automotive includono:

• Corrente nominale fino a 1 A: adatta per alimentare carichi ad alta corrente come sensori e attuatori nei gruppi propulsori e nei sistemi ADAS
• Elevata saturazione di corrente: mantiene l'induttanza sotto carico, impedendo il deterioramento delle prestazioni in presenza di campi magnetici intensi
• Bassa resistenza c.c.: riduce le perdite durante la separazione dell'alimentazione e del segnale, migliorando l'efficienza energetica complessiva
• Costruzione schermata: riduce al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI), garantendo il funzionamento affidabile della circuiteria circostante
• Fattore di ingombro compatto: consente di risparmiare spazio sulla scheda e di utilizzare il dispositivo in layout automotive molto densi
• Intervallo della temperatura di funzionamento da -40 °C a +125 °C: garantisce prestazioni ottimali in condizioni ambientali difficili nel settore automotive
• Qualifica AEC-Q200 e conformità RoHS: soddisfa gli standard automotive e ambientali

Queste caratteristiche rendono la famiglia di induttori PoC di Murata particolarmente adatta per una vasta gamma di applicazioni, tra cui sistemi di sicurezza, infotainment e controllo della trasmissione in campo automotive.

Induttore PoC per applicazioni di trasmissione

Nei sottosistemi del gruppo propulsore, spesso le comunicazioni sono basate su sensori con velocità di trasmissione dati relativamente basse. Per queste applicazioni, una soluzione ad alta induttanza come LQW43FT180M0HL (Figura 2) può aiutare a garantire una distribuzione dell'energia elettrica stabile. I 18 µH nominali di questo dispositivo garantiscono un'alta impedenza alle basse frequenze, bloccando efficacemente i segnali indesiderati. Queste prestazioni sono garantite dalla frequenza autorisonante di 40 MHz, che si allinea bene con il campo di frequenza dei tipici flussi di dati dei gruppi propulsori.

Figura 2: LQW43FT180M0HL è un induttore compatto ad ampia larghezza di banda che svolge il ruolo di diversi induttori nei circuiti T di polarizzazione PoC per il settore automotive. (Immagine per gentile concessione di Murata)

L'induttore ha una potenza nominale di 600 mA, che lo rende adatto a molti sottosistemi periferici all'interno di un gruppo propulsore. La sua bassa resistenza c.c. di 160 mΩ contribuisce a ridurre al minimo la perdita di potenza, mentre il contenitore 1812, che misura 4,5 × 3,2 × 3,7 mm, offre un'alternativa compatta ai progetti con più induttori.

Induttore PoC per applicazioni ADAS

Le applicazioni ADAS devono gestire velocità di trasmissione dati significativamente più elevate provenienti dai sensori, come le telecamere ad alta risoluzione. LQW32FT2R2M0HL (Figura 3) è una soluzione a media induttanza da 2,2 µH progettata appositamente per assolvere questo scopo. La sua frequenza autorisonante di 200 MHz assicura un efficace blocco del segnale per comunicazioni ad ampia larghezza di banda.

Figura 3: LQW32FT2R2M0HL è progettato per applicazioni PoC e offre sia potenza elevata sia velocità di trasmissione dati elevate. (Immagine per gentile concessione di Murata)

Oltre alle elevate velocità di trasmissione dati, i sottosistemi ADAS hanno spesso requisiti energetici significativi. Il valore nominale di 1 A di questo induttore soddisfa queste esigenze di potenza più elevate, inclusi i sensori LiDAR o gli attuatori utilizzati nei sistemi automatici di mantenimento della corsia. È offerto in un contenitore 1210 che misura 3,2 × 2,5 × 2,5 mm.

Induttore PoC per applicazioni di infotainment

I sistemi di infotainment funzionano solitamente a velocità di trasmissione dati elevate, ma assorbono relativamente poca energia. Il modello LQW21FT2R0M0HL (Figura 4) è una soluzione compatta che soddisfa queste esigenze. Con un'induttanza di 2 µH e una frequenza autorisonante di 230 MHz, garantisce un efficace blocco del segnale nel campo di frequenza comunemente utilizzato dai flussi di dati audio, video e di navigazione ad alta velocità.

Figura 4: LQW21FT2R0M0HL supporta PoC automotive ad alta velocità di trasmissione dati. (Immagine per gentile concessione di Murata)

L'induttore ha un limite d'impiego di 400 mA, che lo rende adatto per endpoint a bassa potenza come display di infotainment e moduli di controllo multimediale. È alloggiato in un contenitore 0805 di soli 2,0 × 1,2 × 1,8 mm, quindi è particolarmente adatto per applicazioni in cui lo spazio su scheda è limitato.

Strumenti utili per la selezione degli induttori T di polarizzazione

La progettazione e la caratterizzazione di un circuito T di polarizzazione possono essere complesse, in particolare quando è necessario bilanciare le prestazioni elettriche con le dimensioni e i vincoli del sistema. Per semplificare il processo, Murata offre due strumenti online gratuiti che aiutano gli ingegneri a valutare e selezionare gli induttori adatti alle applicazioni PoC.

Il primo è uno strumento di supporto alla progettazione di induttori T di polarizzazione (Figura 5). Questo strumento consente ai progettisti di inserire parametri quali corrente continua, temperatura ambiente e caratteristiche dei cavi, per generare una configurazione T di polarizzazione completa. Lo strumento consiglia automaticamente gli induttori, i resistori e i condensatori appropriati e fornisce anche grafici delle prestazioni simulate, inclusi i parametri S e le curve di impedenza, per una comprensione più approfondita del comportamento del circuito.

Figura 5: Lo strumento di supporto alla progettazione di induttori T di polarizzazione semplifica la selezione degli induttori PoC per il settore automotive e la caratterizzazione dei circuiti T di polarizzazione. (Immagine per gentile concessione di Murata)

Oltre a simulare il circuito T di polarizzazione, i menu a discesa consentono di selezionare criteri di riferimento specifici per i calcoli, inclusi diversi protocolli di comunicazione e parametri dei cavi. Include anche un'opzione per tenere conto delle capacità parassite, per una migliore comprensione delle prestazioni reali.

Per un'analisi più generale, lo strumento di selezione degli induttori di Murata (Figura 6) offre una funzione di ricerca per codice componente e la possibilità di filtrare i risultati in base all'applicazione, alle caratteristiche elettriche e alle dimensioni. Una volta effettuata la selezione, l'utente può simulare le caratteristiche di frequenza dell'induttore e i parametri S per configurazioni in serie e in derivazione. Ciò elimina il tempo speso nella lettura delle schede tecniche e delle pagine di prodotto alla ricerca dei componenti adatti.

Figura 6: Lo strumento di selezione degli induttori consente una rapida valutazione delle prestazioni degli induttori per un'ampia gamma di applicazioni. (Immagine per gentile concessione di Murata)

Conclusione

È possibile semplificare la progettazione di un circuito T di polarizzazione complesso per PoC utilizzando gli induttori a banda larga di Murata, ciascuno dei quali può sostituire un circuito che in precedenza richiedeva più componenti, consentendo un risparmio di spazio e una maggiore stabilità del sistema. Grazie a una famiglia di induttori specifici per applicazioni e potenti strumenti di progettazione online, Murata elimina molti ostacoli, agevolando agli ingegneri lo sviluppo e l'adozione della tecnologia PoC.