连接器在高性能车辆系统中的作用

随着交通运输领域将高性能车辆技术集成到各种类型的车辆中，并过渡到电动汽车，传统的分散式电气系统架构正在达到其极限。高级信息娱乐、安全系统、自动驾驶和车辆到基础设施通信网络等技术所需的复杂性和高速特性需要新的设计策略和新的连接器来应对这些挑战。

传统的分散式车辆架构由多达 100 个控制单元组成，每个控制单元都分配了定义的功能，例如控制发动机控制单元 （ECU）、安全气囊、ABS/ESP、座椅调节系统或气候控制。每个控制器都自主工作，并通过网关与其他控制单元通信。随着车辆功能的添加或改进，每个新功能都会添加一个控制单元。近年来，从厢式货车车队车辆到公共汽车再到汽车，所有车辆类型都发生了巨大变化，功能数量的增加大大增加了每辆车的布线和互连内容。

域架构中的控制单元分为不同的功能区域，每个区域负责车辆的特定区域，例如动力传动系统、信息娱乐系统或安全功能。独立的高性能计算机 （HPC） 执行域的主要控制并协调其域内的控制单元。例如，安全域负责监督驾驶员辅助系统、ABS/ESP 和转向系统的控制单元。域架构减少了控制单元的数量，与传统的分散式架构相比，减少了所需的布线和安装工作，从而有效减轻了重量和成本。附加功能可以很容易地集成到升级或新设计中。

在区域架构中，构建不是基于域，而是基于本地区域。例如，将多种功能捆绑在车辆内的一个区域中。传动系统和信息娱乐系统等功能可以在一个区域控制器中组合和处理。中央 HPC 执行各种区域控制器的初级控制，将控制单元的数量和随之而来的布线量减少 50%。

图 1：高性能车辆电气系统架构的示意图。插图：ept GmbH

HPC 及其相应的互连模块必须按照最高性能要求进行设计。例如，在自动驾驶安全系统中处理成像和传感器数据需要安全的高速数据传输速率和较短的延迟时间。同时，信号传输在任何情况下都不得失败。高性能、快速，尤其是可靠的数据传输速率 - 有时在恶劣的环境条件下 - 是这些系统中连接器的要求。

信号的“可读性”可以用眼图来说明，眼图显示接收器中发射的信号是否可以唯一地分配给数字状态 1 或 0。为此，信号通过定义的传输路径，用示波器记录、叠加并显示。这样，信号路线可以映射重叠。根据理论，逻辑状态的过渡是无限陡峭的，信号线是完全叠加的。信号对的外部干扰因素和内部损伤使信号上升变平，而幅度电平发生变化。

图 2：眼图用于评估数字数据传输速率的信号质量。插图：ept GmbH （Colibri）

所谓的“眼罩”可以在图的中间看到。无法在此区域中明确分配信号。

两张眼图都说明了使用 16+ Gb/s 和 10 Gb/s ept Colibri 插头连接器的电缆长度和阻抗的影响。此示例说明了如何通过进一步开发触点设计来实现信号完整性的显著提高。通过使用更短的电缆长度和 100 Ω 的阻抗，16+ Gb/s Colibri 变体的眼图能够比以前的 10 Gb/s Colibri 变体更清晰地形成 - 信号对可以清晰地解释。

图 3：Colibri 的优化触点设计可实现低损耗高速数据传输速率。插图：ept GmbH （Colibri）

高速信号需要特殊的信号保护，因为它们特别容易受到电磁影响。在这种情况下，连接器既可以充当干扰源，也可以充当接收器。屏蔽板将保护敏感信号免受外部影响。

图 4、5：使用屏蔽（上图）和非屏蔽（下图）连接器时的信号干扰

可以通过考虑源和灌两种功能的电气条件来描述连接器，耦合电感 LK 作为 EMC 参数。亨利 （H） 用于表示此值。这适用于抗干扰性和干扰发射。如果感应电压 （Uind）、发电机电压 （UGen） 和发电机常数 （kGen） 已知，则可以使用以下公式确定应用的具体最大允许耦合电感 （L）：

耦合电感还有助于用户根据其电磁兼容性定义合适的连接器，并有助于避免成本高昂且对时间敏感的试错测试。示例如下：在 4.4 kV 电压下，确定 HDMI 信号的特定情况最大耦合电感为 47 皮亨 （pH）。如果该值高于此值，则信号将无法再不受干扰地传输。

图 6：非屏蔽（左）和屏蔽（右）版本的连接器。

电磁影响会危及高速信号的传输。连接器，尤其是在高性能车辆应用中，会暴露在振动和冲击等极端环境条件下。连接器必须特别坚固，以确保即使在恶劣的环境中也能保持信号传输不间断。在这种情况下，主要起决定性作用的是触点设计、触点系统和端接技术。

传统的两件式连接器具有 1 个公触点和 1 个母触点。但是，在强烈冲击的情况下，公连接器可能会从母连接器上脱落。为了防止这种接触中断，可以使用双面母连接器来提供冗余，从而提高接触可靠性，因为第二个母触点确保信号始终通过至少一个触点传输（图 5）。

无（左）和（右）暴露于冲击的双面母触点。

采用“不分性别”端子系统的连接器更加坚固。这里的特殊之处在于连接器对 - 插头和插座的触点几何形状相同。因此，两者都同时具有 female 和 male 触点。因此，每个引脚都由两个母触点接触，插头和插座互锁，不能相互抬起。双面母连接器在承受机械负载时始终确保至少一个触点，而中性触点系统中的互锁几何形状确保信号传输始终通过两个触点进行。因此，这种高度的冗余实现了最大的接触可靠性（图 5）。

图 7：Zero8 连接器的横截面显示了不分性别的端子系统。

为了实现 PCB 和连接器之间的持久连接，我们建议使用表面贴装技术 （SMT） 作为端接技术。焊膏用于将连接器焊接到 PCB 的指定连接表面：焊盘。焊料首先熔化，然后在所谓的回流炉中硬化。SMT 允许在连接器和 PCB 之间建立稳定的连接。但是，必须满足一些标准才能实现此目的。首先，必须保持焊脚、焊盘和焊膏的正确比例，以创建符合 IPC A-610 的焊点。这是根据 IPC 3 级实现高质量连接的唯一方法，这意味着它适用于高性能汽车电子设备。该类规定信号传输故障绝不能发生。通过弯月面的均匀形成可以识别最佳焊接连接。触点的整个圆周必须用弯月面焊料封闭，以便在 PCB 上实现最佳保持力。（图 7）。

图 8：焊脚周围弯月面的均匀形成

接触脚必须共面，以实现出色的连接。这种共面性要经过全自动的过程检查。

乍一看，由于控制单元数量的减少，连接器在高性能车辆系统中的作用似乎正在淡出人们的视线。然而，仔细观察就会发现，正是由于这种向通过 HPC 进行集中数据处理的转变，它们的作用变得越来越重要。信号传输的可靠性从未像现在这样重要。