I connettori specializzati offrono connettività USB-C compatibile con il settore automotive

Il connettore Universal Serial Bus (USB) Type-C ha standardizzato e semplificato le connessioni tra i dispositivi consumer per il mercato di massa. I progettisti di sistemi automotive possono trarre vantaggio dall'uso di USB-C anche per le funzioni ad alta velocità non legate alla sicurezza, come l'infotainment. Tuttavia, i connettori USB-C convenzionali realizzati per le applicazioni consumer non offrono le caratteristiche di robustezza, affidabilità e sicurezza necessarie per l'ambiente automotive.

Questo articolo fornisce una breve introduzione a USB-C e alle sfide che i progettisti devono affrontare per integrare USB-C nei progetti automotive. Presenta quindi i connettori USB-C di Hirose che i progettisti possono utilizzare per affrontare queste sfide.

L'evoluzione di USB

A partire dal fattore di forma di base Type-A, USB ha soppiantato molti bus tradizionali, come la porta parallela e RS-232, in applicazioni consumer, di strumentazione di test e persino industriali. Ciò è dovuto alla facilità d'uso plug-and-play, al basso costo, alle dimensioni ridotte, alla rapidità e semplicità di connessione/disconnessione, alla capacità di gestire sia l'alimentazione che i segnali digitali e all'ampio supporto da parte dei fornitori. Le versioni USB-C potenziate hanno portato dimensioni fisiche più compatte, velocità superiori, maggiore capacità di gestione dell'energia e connettori reversibili.

USB-C ha avuto un tale successo da divenire obbligatorio per tutti i nuovi smartphone e i piccoli dispositivi consumer, con conseguenti volumi estremamente elevati e una maggiore interoperabilità dei dispositivi. Le dimensioni standard di USB-C sono 8,4 × 2,6 mm con 24 pin. Il corpo e i perni sono simmetrici (reversibili); non sono codificati per l'orientamento. Può anche essere utilizzato simultaneamente per la trasmissione dati e per la ricarica. La sua funzione di espansione può supportare la modalità DisplayPort Alt e gli adattatori e i bridge HDMI per trasmettere dati audio e video.

Queste caratteristiche sono vantaggiose per i progettisti di sistemi di infotainment in campo automotive. In questo caso, USB-C offre anche la possibilità di ridurre i costi, la praticità e il peso rispetto ad altre opzioni di connettività, oltre a un ampio ecosistema di risorse USB esistenti.

Sebbene USB-C per le applicazioni automotive sia promettente, i progettisti devono far fronte a vibrazioni e fluttuazioni di temperatura estreme, elevate interferenze elettromagnetiche (EMI) e guasti potenzialmente pericolosi dovuti a disaccoppiamenti dei cavi e dei connettori USB.

Portare USB-C nel settore automotive

In risposta alla necessità di connettori adeguati, Hirose ha introdotto la serie AU1 di connettori USB-C che soddisfano i requisiti unici dell'ambiente automotive. I connettori di questa serie fungono da ponte tra le connessioni interne ed esterne dei dispositivi, supportando standard come USB 3.2 Gen2, DisplayPort 1.4 e HDMI. Sono realizzati e funzionano perfettamente con la serie CX esistente di Hirose (Figura 1).

Figura 1: La serie AU1 di connettori USB-C compatibili automotive (in basso) utilizza come elemento costitutivo la serie CX (in alto). (Fonte: Hirose)

Questa combinazione innovativa consente trasferimenti dati ad alta velocità di 20 Gbps (USB 3.2 Gen 2×2), livelli di potenza di 240 W (USB Power Delivery 3.1 Extended Power Range (48 V, 5 A)) e una connettività affidabile per l'intero sistema di infotainment, supportando funzioni avanzate e un'integrazione del sistema senza soluzione di continuità.

I connettori serie AU1 garantiscono l'accoppiamento sicuro, resistenza alle vibrazioni e al calore e prestazioni affidabili negli ambienti difficili. In tal modo, la serie consente di utilizzare questo popolare tipo di connettore in un ambiente molto più impegnativo di quello cui era originariamente destinato.

I connettori assemblati di questa serie supportano orientamenti diritti e ad angolo retto (Figura 2). Ciò dà ai progettisti una certa flessibilità nella posa dei cavi all'interno dell'ambiente automotive soggetto a stretti vincoli.

Figura 2: I connettori serie AU1 supportano disposizioni diritte e ad angolo retto; una scheda dimostrativa mostra l'uso dei connettori. (Immagine per gentile concessione di Hirose)

Garantire un accoppiamento sicuro, preciso e corretto

Questi connettori presentano caratteristiche uniche, tra cui l'unità CPA (garanzia di posizione del connettore) e la codifica. L'unità CPA supporta l'accoppiamento sicuro e preciso. Il meccanismo di chiusura azionato dalle dita (Figura 3) garantisce un accoppiamento meccanico sicuro ed emette un clic sonoro per confermare all'utente che l'azione di chiusura è andata a buon fine.

Figura 3: L'unità CPA assicura che il connettore di accoppiamento sia completamente innestato, quindi bloccato e mantenuto in posizione, finché non viene disinnestato intenzionalmente. (Immagine per gentile concessione di Hirose)

Durante il funzionamento, l'unità CPA non può muoversi fino al completamento dell'accoppiamento. Una volta che la spina è completamente inserita, la presa spinge verso il basso l'unità CPA, portandola in posizione di blocco, a indicare che è stata inserita come previsto. Per sbloccare il dispositivo, l'utente tira l'unità CPA per rilasciare il blocco secondario; al momento del rilascio si avverte un clic.

In caso di disallineamento assiale o radiale, le metà non scattano, avvisando l'utente che l'accoppiamento è errato. Questi connettori sono stati progettati per oltre 10.000 cicli di accoppiamento, ben al di là di qualsiasi utilizzo previsto nell'ambiente automotive.

La codifica aiuta a evitare l'accoppiamento errato del cavo con la metà di destinazione. Come già accennato, una delle caratteristiche dei cavi USB-C consumer è la loro reversibilità. Ciò significa anche che non hanno codifica o un modo per identificare fisicamente quale estremità sia la spina o la presa. L'assenza di codifica è un vantaggio nel mondo delle applicazioni consumer, dove i consumatori inseriscono e disinseriscono spesso i cavi. Tuttavia, nelle applicazioni automotive è più probabile che l'inserimento sia "una tantum" e in questo caso esiste il potenziale di errori quando si installano cablaggi densi negli autoveicoli. Un errore di accoppiamento può portare a un collegamento non funzionante, causare possibili danni alle periferiche e aumentare il potenziale pericolo per il sistema e l'utente.

Per evitare errori di cablaggio, la serie AU1 di connettori USB-C automotive supporta due tipi di codici di codifica contro l'interferenza fisica: un codice standard (nero) e un codice "chiave A" (grigio/naturale) (Figura 4). Questi due codici fanno sì che, nel caso di due cavi e connettori adiacenti, gli accoppiamenti errati siano fisicamente impossibili. Anche le differenze di colore aiutano a identificare i due codici di codifica.

Figura 4: Per ridurre al minimo gli errori di connessione dei cavi, gli utenti possono utilizzare una delle due disposizioni di codifica meccanica; i connettori con codifica standard sono neri, mentre quelli con codice "chiave A" sono grigi (maschio)/naturali (femmina). (Immagine per gentile concessione di Hirose)

Standard e prestazioni elettriche

I numeri definiscono le capacità ambientali ed elettriche dei connettori di Hirose. Dal punto di vista ambientale, funzionano entro un intervallo di temperatura da -40 °C a +105 °C. Inoltre, sono impermeabili e resistenti alla polvere, con grado di protezione IP54, IP68 o IP69K, a seconda del tipo di connettore. IP69K è il più severo dei tre contro l'infiltrazione di polvere e acqua.

I connettori sono conformi agli standard USCAR-2 e USCAR-30 (United States Council for Automotive Research) per garantire l'affidabilità. USCAR-2 è uno standard prestazionale per i sistemi di collegamento elettrico automotive, che definisce i requisiti per terminali, connettori e componenti nelle applicazioni a bassa tensione su veicoli stradali. USCAR-30 è una specifica prestazionale per i sistemi di connessione USB automotive, che copre i requisiti per i connettori USB, i cavi e la connessione elettrica tra le periferiche consumer e una sorgente informatica USB nei veicoli.

Dal punto di vista elettrico, i pin di alimentazione (A4/A9/B4/B9 (VBUS)) hanno una corrente nominale di 1,25 A in conformità alle specifiche USB-C, mentre i pin non di alimentazione hanno una corrente nominale di 0,25 A, tutti a 20 V_c.a. e V_c.c.. La resistenza di contatto iniziale è di 40 mΩ al massimo, che aumenta leggermente fino a non superare i 50 mΩ dopo una serie di prove di sollecitazione definite dagli standard.

Specificazione e montaggio dei connettori AU1

Nella maggior parte dei casi, un semplice connettore, come la spina di linea c.a. standard, viene fornito completo e pronto all'uso, senza componenti specificati dall'utente. Tuttavia, un'interconnessione sofisticata come il connettore AU1 comprende molti elementi singoli (Figura 5). Il progettista può ordinare alcuni di questi componenti su misura per soddisfare i requisiti dell'applicazione finale.

Figura 5: Gli elementi del connettore assemblato completo AU1 comprendono: 1) spina USB-C; 2) circuito stampato; 3) fermacavo; 4) cavo; 5) schermatura 1; 6) schermatura 2; 7) stampo interno; 8) sovrastampo; 9) alloggiamento e CPA; 10) fermo. (Immagine per gentile concessione di Hirose)

La Figura 6 mostra alcuni dei componenti che l'utente può specificare. Tra questi (fila in alto, da sinistra a destra):

• La schermatura del connettore AU1MS-24S-SLDA(805)
• Il fermo del connettore AU1MS-24RS(805)
• L'alloggiamento con fermo di chiusura AU1MS-24S-HU/C(805) e l'unità CPA per una spina con codifica standard nera (o l'alloggiamento con fermo di chiusura AU1MSA-24S-HU/C(805) e unità CPA chiave A grigia), insieme a un fermo, un involucro di schermatura e un'unità di connessione
• Il connettore maschio CX60-24S1-UNIT con montaggio accavallato all'interno dell'unità, disponibile anche come articolo separato per i progettisti che necessitano di unità aggiuntive

La spina è solo metà di un connettore, poiché deve avere una presa corrispondente. Per i connettori USB-C di Hirose, i progettisti possono scegliere tra queste due versioni (Figura 6, fila inferiore, da sinistra a destra):

• Il connettore femmina USB-C diritto a foro passante AU1FS-24P(805) per il fissaggio a una scheda a circuiti stampati
• Il connettore femmina ad angolo retto AU1FRA-24P(805)

Figura 6: Alcuni dei componenti dei connettori che gli utenti possono specificare includono (fila in alto, da sinistra a destra) la schermatura del connettore AU1MS-24S-SLDA(805), il fermo del connettore AU1MS-24RS(805), l'alloggiamento con fermo di chiusura AU1MS-24S-HU/C(805) e l'unità CPA per una spina con codifica standard nera e il connettore per montaggio accavallato CX60-24S1-UNIT; le opzioni di presa includono (fila in basso, da sinistra a destra) la presa USB-C diritta a foro passante AU1FS-24P(805) e la presa ad angolo retto AU1FRA-24P(805). (Immagine per gentile concessione di Hirose)

Conclusione

Il connettore USB-C offre prestazioni interessanti in termini di usabilità, velocità e gestione della potenza. Tuttavia, il connettore di base orientato al consumatore non è meccanicamente adatto ai progetti automotive. Il connettore serie AU1 utilizza la consolidata serie CX di Hirose come base per creare un connettore Type-C robusto e ad alte prestazioni adatto alle applicazioni automotive che soddisfa le specifiche e gli standard del settore.