בחירת משרני Power over Coax‏ עבור ADAS‏ ומערכת מידע-ובידור

מתכנני מערכות רכב פונים יותר ויותר לארכיטקטורות Power over Coax‏ (PoC‏) כדי להעביר הן הספקת-כוח והן נתונים במהירות גבוהה דרך כבל יחיד. גישה זו מפחיתה את נפח החיווט ומפשטת את תכנון המערכת, במיוחד בתת-מערכות עתירות נתונים כגון מערכות עזר מתקדמות לנהג (ADAS), מערכת מידע ובידור ומערכות הינע מונעות-חיישנים. עם זאת, מימוש מעגל Bias-T‏ PoC‏ אמין דורש בחירה מדוקדקת של המשרן כדי לנהל דרישות מתחרות עבור העברת הספקת-כוח ונתונים.

מאמר זה מעניק סקירה כללית של תכן מעגל Bias-T‏ PoC‏. לאחר מכןהוא מציג משרני PoC עבור יישומי רכב של Murata‏ ומראה כיצד הם תומכים במתכננים באופטימיזציה של מעגלי Bias-T‏ עבור מערכת הינע, בטיחות רכב ומערכות מידע ובידור. יתוארו גם שני כלים שימושיים לבחירת משרנים.

חשיבות תכני מעגלי Bias-T‏ עבור PoC לרכב

מעגלי Bias-T ממלאים תפקיד מכריע במערכות PoC על ידי הפרדת הספק DC מאותות נתונים במהירות גבוהה. יישום PoC טיפוסי לרכב משתמש בכבלים קואקסיאליים לחיבור חיישנים ויחידות בקרה, כאשר מעגלי Bias-T בכל קצה מנהלים את נתיבי הספקת-הכוח והאותות (איור 1). משרנים במעגלים אלה חוסמים אותות בתדר גבוה כדי לשמור על הספקת-כוח נקייה, בעוד שקבלים מונעים ממתח DC להגיע למודולים רגישים של ממיר מקבילי-לטורי/טורי-למקבילי (SerDes‏).

איור 1: יישום PoC טיפוסי משתמש במעגלי Bias-T‏ בכל קצה של כבל קואקסיאלי כדי להפריד בין הספק DC‏ לבין אותות נתונים במהירות גבוהה. (מקור התמונה: Murata)

תכנון החלק האינדוקטיבי של מעגל Bias-T‏ דורש תשומת לב קפדנית לפרטים. כדי למנוע זליגת אותות לתוך קו הספקת-הכוח, המשרן חייב לשמור על אימפדנס גבוה על פני תחום תדרים רחב. אם אימפדנס זה אינו מספיק, אנרגיית אותות שיורית עלולה לגרום לתנודות בהספק שיפגעו בביצועי המערכת.

בפועל, משרן יחיד עלול לא לספק חסימת אותות מספקת על פני כל התדרים המעניינים. כתוצאה מכך המתכננים משתמשים לעתים קרובות במספר משרנים, ביחד עם נגדים וקבלים נלווים, כדי לשכך אנטי-תהודות. אנטי-תהודות הם פסי תדר צרים שבהם האימפדנס יורד וסינון הופך ללא-אפקטיבי. אפקטים אלה נןבעים מאינטראקציה של מספר רכיבים עם תגובות תדר שונות.

אתגרי תכנון מעגלי PoC Bias-T

למרות שתצורות רבות-משרנים יכולות להאריך את תחום החסימה של מעגל Bias-T, הן גם מציגות מורכבות, כאשר כל משרן נוסף מגביר את הסיכון לאנטי-תהודה. ניהול אינטראקציות אלו דורש נגדים וקבלים נוספים, אשר מגדילים עוד יותר את מספר הרכיבים ואת מאמץ התכנון.

כדי להפחית את המורכבות הזו, המתכננים שואפים לעתים קרובות למזער את מספר המשרנים הנדרש. משרן יחיד בעל רוחב-פס רחב מפחית את הסבירות לאפקטים של אנטי-תהודה, משפר את עקביות הסינון ומסייע לחסוך מקום יקר על הלוח. האחרון הוא קריטי בתת-מערכות קומפקטיות לרכב.

הקושי טמון בבחירת משרן עם השילוב הנכון של אימפדנס, תגובת תדר ומאפיינים חשמליים אחרים. זה מאתגר בין היתר משום שלאפליקציות PoC יש דרישות מגוונות. למערכות הינע, ADAS ומערכות מידע ובידור יש תמהילים שונים של דרישות הספקת-כוח ורוחב פס נתונים, וקיימת שונות ניכרת בין דרישות היישומים בתוך כל אחת מקטגוריות אלו.

גישת משרן יחיד לתכנון מעגל Bias-T‏ PoC‏

כדי לענות על צרכים אלה, Murata‏ פיתחה משפחה של משרנים שתוכננו במיוחד עבור מעגלי PoC Bias-T לרכב. המשפחה כוללת מגוון רחב של מאפייני ביצועים, ומעניקה למתכננים את הגמישות לענות על הצרכים של יישומים שונים.

כל פתרון במשפחה זו מעניק אימפדנס גבוה על פני תחום תדרים רחב, מאפיין ביצועים שבעבר היה דורש מספר משרנים להשגתו. מאפיין זה מאפשר חסימת אותות יעילה תוך מזעור הגודל והמורכבות של מעגל Bias-T‏. מאפיינים נוספים התומכים ביעדי תכני רכב כוללים:

• דירוגי זרם עד 1 אמפר (A): מתאים עבור הזנת עומסים בעלי זרם גבוה כגון חיישנים ומפעילים במערכות הינע ו-ADAS
• רווית זרם גבוהה: שומר על השראות תחת עומס, ומונע פגיעה בביצועים בנוכחות שדות מגנטיים גדולים
• התנגדות DC נמוכה: מפחיתה הפסדים בעת הפרדת הספקת-כוח ואותות ומשפרת את נצילות הספקת-הכוח הכוללת
• מבנה מסוכך: ממזער הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), ותומך בפעולה אמינה של המעגלים הסמוכים
• גורם-צורה קומפקטי: חוסך מקום על הלוח ומאפשר שימוש בפרישות צפופות ברכב
• תחום טמפרטורות פעולה של -40°C- עד 125°C+: תומך בביצועים בסביבות רכב קשות
• הרשאת AEC-Q200‏ ותאימות RoHS‏: עמידה בתקני רכב וסביבה

ביחד, מאפיינים אלה הופכים את משפחת משרני PoC של Murata למתאימה היטב עבור מגוון של יישומים, כולל מערכות בטיחות לרכב, מערכת מידע ובידור ובקרת מערכת הינע.

משרן PoC‏ עבור יישומי מערכת-הינע

תת-מערכות הינע כוללות לעתים תקשורת מונעת-חיישנים עם קצבי נתונים נמוכים יחסית. עבור יישומים אלה, פתרון עם השראות גבוהה כגון ה-LQW43FT180M0HL‏ (איור 2) יכול לסייע בהבטחת הספקת-כוח יציבה. דירוג µH‏ 18‏ של התקן זה מעניק אימפדנס גבוה בתדרים נמוכים, וחוסם ביעילות תוכן אותות לא-רצוי. ביצועים אלה נשמרים הודות לתדר התהודה העצמית שלו של 40 מגה-הרץ, אשר תואם היטב את תחום התדרים של זרמי נתוני מערכת הינע טיפוסיים.

איור 2: ה-LQW43FT180M0HL הוא משרן קומפקטי עם רוחב-פס רחב הממלא את תפקידם של מספר משרנים בתוך מעגלי Bias-T‏ PoC‏ לרכב. (מקור התמונה: Murata‏)

המשרן הוא בדירוג של 600 מילי-אמפר (mA‏), ההופך אותו למתאים עבור תת-מערכות היקפיות רבות בתוך מערכות-הינע. התנגדות ה-DC‏ הנמוכה שלו של mΩ‏ 160‏ מסייעת למזער את הפסדי ההספק, בעוד שמארז 1812, במידות של 4.5 מ"מ × 3.2 מ"מ × 3.7 מ"מ, מציע חלופה קומפקטית עבור תכנים רבי-משרנים.

משרן PoC עבור יישומי ADAS

יישומי ADAS חייבים להתמודד עם קצבי נתונים גבוהים משמעותית מחיישנים, כגון מצלמות ברזולוציה גבוהה. ה-LQW32FT2R2M0HL‏ (איור 3) הוא פתרון השראות בינונית של µH‏ 2.2‏ המתוכנן עבור מטרה זו. תדר התהודה העצמית שלו של MHz‏ 200‏ מאפשר חסימת אותות יעילה עבור תקשורת ברוחב-פס גבוה.

איור 3: ה-LQW32FT2R2M0HL מתוכנן עבור יישומי PoC, ומציע הן הספק גבוה והן קצבי נתונים גבוהים. (מקור התמונה: Murata)

בנוסף לקצבי נתונים גבוהים, לתת-מערכות ADAS יש לעתים קרובות דרישות הספק משמעותיות. דירוג A‏ 1‏ של משרן זה נועד לשרת את הצרכים הללו של הספק גבוה יותר, כולל חיישני LiDAR או המפעילים המשמשים במערכות שמירת-נתיב אוטומטית. הוא נתון בתוך מארז 1210 במידות של 3.2 מ"מ × 2.5 מ"מ × 2.5 מ"מ.

משרן PoC עבור יישומי מידע-ובידור

מערכות מידע-ובידור פועלות בדרך כלל בקצבי נתונים גבוהים אך צורכות יחסית מעט הספק. ה-LQW21FT2R0M0HL‏ (איור 4) מציע פתרון קומפקטי המותאם לצרכים אלה. עם השראות של µH‏ 2‏ ותדר תהודה-עצמית של MHz‏ 230‏, הוא מספק חסימת אותות יעילה בתחום התדרים הנפוצים בזרמי נתוני אודיו, וידאו וניווט במהירות גבוהה.

איור 4: ה-LQW21FT2R0M0HL תומך ב-PoC לרכב בקצב נתונים גבוה. (מקור התמונה: Murata)

המשרן מדורג ל-mA‏ 400‏ ההופך אותו למתאים עבור נקודות קצה בעלות הספק נמוך יותר כגון צגי מידע ובידור ומודולי בקרת מולטימדיה. הוא נתון בתוך מארז 0805 במידות של 2.0 מ"מ × 1.2 מ"מ × 1.8 מ"מ בלבד, מה שהופך אותו למתאים היטב עבור יישומים בהם המקום על הלוח מוגבל.

כלים שימושיים לבחירת משרני Bias-T‏

תכנון ואפיון מעגל Bias-T‏ יכולים להיות מורכבים, במיוחד כאשר מאזנים ביצועים חשמליים מול אילוצי גודל ומערכת. כדי לייעל את התהליך, Murata מציעה שני כלים מקוונים חינמיים המסייעים למהנדסים להעריך ולבחור משרנים מתאימים עבור יישומי PoC.

הראשון הוא כלי תמיכה לתכנון משרן Bias-T‏ (איור 5). כלי זה מאפשר למתכננים להזין פרמטרים כגון זרם DC, טמפרטורת סביבה ותכונות הכבל, ומאפשר להם ליצור תצורת Bias-T‏ שלמה. הכלי ממליץ אוטומטית על משרנים ביחד עם נגדים וקבלים מתאימים, וגם מספק סימולציות של דיאגרמות ביצועים, כולל פרמטרי S ועקומות אימפדנס, עבור תובנה מעמיקה יותר לגבי התנהגות המעגל.

איור 5: כלי התמיכה בתכנון משרן Bias-T מייעל את בחירת משרן PoC לרכב ואפיון מעגל Bias-T. (מקור התמונה: Murata)

בנוסף לסימולציה של מעגל Bias-T‏, תפריטים נפרשים מאפשרים למשתמשים לבחור קריטריוני ייחוס ספציפיים עבור חישובים, כולל פרוטוקולי תקשורת שונים ופרמטרי כבלים. אפשרות להתחשב בקיבוליות תועה כלולה גם כן עבור הבנה משופרת של ביצועים בעולם האמיתי.

עבור בחינה כללית יותר, כלי בחירת המשרנים של Murata‏ (איור 6) כולל פונקציית חיפוש מק"ט ויכולת סינון לפי יישום, מאפיינים חשמליים וגודל. לאחר ביצוע הבחירה, המשתמש יכול לבצע סימולציה של מאפייני התדר של המשרן כמו גם פרמטרי-S עבור תצורות טוריות ו-מצד (Shunt‏). זה חוסך זמן מבוזבז על סריקת גליונות נתונים ודפי מוצר כדי למצוא רכיבים מתאימים.

איור 6: כלי בחירת משרנים מאפשר הערכה מהירה של ביצועי משרנים עבור מגוון רחב של יישומים. (מקור התמונה: Murata‏)

סיכום

ניתן לפשט משמעותית את האתגר של תכנון מעגל מורכב Bias-T עבור PoC באמצעות שימוש במשרנים בעלי רוחב-פס רחב של Murata, שכל אחד מהם יכול להחליף מעגל שבעבר דרש מספר רכיבים, מה שמאפשר חיסכון במקום ויציבות מערכת גבוהה יותר. על ידי אספקת משפחה של משרנים ספציפיים-ליישום וכלי תכנון מקוונים רבי-עוצמה, Murata מסירה חסמים משמעותיים ומקלה על המהנדסים לפתח ולאמץ טכנולוגיית PoC.