מחברים מיוחדים מציעים חיבוריות USB-C תואמת-רכב

מחבר ה-Universal Serial Bus (USB) Type-C הוא בעל חיבורים מתוקננים ומפושטים בין התקנים צרכניים של שוק המוני. מתכננים של מערכות רכב יכולים להפיק תועלת משימוש ב-USB-C‏ גם עבור פונקציות מהירות-גבוהה, שאינן קשורות לבטיחות, כמו מידע-ובידור. עם זאת, למחברי USB-C‏ קונבנציונליים התפורים עבור יישומים צרכניים אין את הקשיחות, האמינות ומאפייני הבטיחות הדרושים עבור סביבת הרכב.

מאמר זה מספק הקדמה קצרה ל-USB-C‏ ולאתגרים העומדים בפני מתכננים כשמשלבים USB-C‏ בתכני רכב. אחר כך הוא מציג מחברים מבית Hirose בהם מתכננים יכולים לעשות שימוש כדי להתמודד עם אתגרים אלה.

ההתפתחות של USB‏

החל מגורם הצורה Type-A הבסיסי, USB‏ החליף אפיקים רבים מדורות קודמים, כגון נקודת היציאה המקבילית ו-RS-232‏ ביישומים צרכניים, מכשור בדיקה ואפילו תעשייתיים. זה הודות לקלות השימוש חבר-והפעל שלו‏, עלות נמוכה, גודל קטן, חיבור/ניתוק מהיר ופשוט, היכולת לטפל בהספקת כוח כמו גם באותות דיגיטליים, ותמיכה רחבה של ספקים. גרסאות ה-USB-C‏ המשופרות הביאו גודל פיזי קטן יותר, מהירויות גבוהות יותר, יכולת טיפול בהספק גבוה יותר ומחברים הפיכים.

USB-C‏ הוא כה מוצלח שהוא מחויב בכל הסמארטפונים החדשים ובהתקנים הצרכניים הקטנים, וכתוצאה מכך השימוש בו מגיע לנפחים גבוהים ביותר ומשפר תפקודיות הדדית בין התקנים. גודל ה-USB-C התקני הוא 8.4 מ"מ ×‏ 2.6 מ"מ, עם 24 פינים. הגוף והפינים הם סימטריים (הפיכים); אין צורך במפתוח מעלה/מטה מכני. ניתן גם להשתמש בו בו-זמנית להעברת נתונים ולטעינה. פונקציית הרחבה שלו יכולה לתמוך ב-DisplayPort Alternate Mode‏ ובמתאמי ומגשרי HDMI‏ להעברת נתוני וידאו ואודיו.

מאפיינים אלה מועילים למתכננים של‏ מערכות בידור לרכב. כאן, USB-C‏ מציע גם את הפוטנציאל לעלויות נמוכות יותר, נוחיות מוגדלת ומשקל מופחת בהשוואה לאפשרויות חיבוריות אחרות, כמו גם מערכת אקולוגית‏ רחבה של משאבי‏ USB קיימים.

בעוד ש-USB-C‏ עבור יישומי רכב הוא פיתרון מבטיח, מתכננים מתמודדים עם רעידות ותנודות טמפרטורה קיצוניות, הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) גבוהות ותקלות מסוכנות אפשריות עקב אי-התאמות בכבלי USB ומחברים.

הבאת USB-C‏ לרכב

מתוך הענות לצורך במחברים מתאימים, Hirose הציגה את סדרת ה-AU1 של מחברי‏ USB-C‏ העומדת בדרישות הייחודיות של סביבת הרכב. מחברי סדרה זו משרתים כגשר בין חיבורי התקן פנימיים וחיצוניים, תוך תמיכה בתקנים כגון USB 3.2 Gen2‏, DisplayPort 1.4‏ ו-HDMI‏. הם בנויים ועובדים באופן חלק עם סדרת Hirose CX הקיימת כבסיס (איור 1‏).

איור 1‏: סדרת ה-AU1‏ של מחברי USB-C תואמי-רכב‏ (למטה) משתמשת‏ בסדרת CX (למעלה) כאבן הבניין שלה. (מקור תמונה: Hirose)

שילוב חדשני זה מאפשר העברות נתונים מהירות-גבוהה עקביות של‏ ‎20 Gbits/s‏ (USB 3.2 Gen 2×2), רמות הספק של ‎240 W‏ (USB Power Delivery 3.1 תחום הספק מורחב (‎48 V,‏ ‎5 A‏)), וחיבוריות אמינה בכל מערכת המידע-ובידור, תוך תמיכה במאפיינים מתקדמים ואינטגרציה חלקה של המערכת.

המחברים בסדרת ה-AU1‏ מספקים חיבור מאובטח, התנגדות לרעידות וחום וביצועים אמינים בסביבות תובעניות. על ידי כך‏, הסדרה מאפשרת את השימוש בסוג מחבר נפוץ זה בסביבה הרבה יותר מאתגרת מהסביבה עבורה יועדה בהתחלה.

מכללי מחברים בסדרה זו תומכים באוריינטציות ישרות ובזווית ישרה (איור 2‏). זה מספק למתכננים גמישות בניתוב כבל בתוך הסביבה הצפופה של רכב.

איור 2‏: מחברי סדרת ה-AU1‏ תומכים בסידורים ישרים וזווית ישרה; לוח הדגמה מראה את המחברים בשימוש. (מקור תמונה: Hirose)

הבטחת חיבור בטוח, מדויק ונכון

מחברים אלה כוללים מאפיינים ייחודיים, כולל‏ הבטחת מצב מחבר (Connector Position Assurance‏ (CPA)) ומפתוח. יחידת ה-CPA תומכת בחיבור בטוח ומדויק. הסגר שלה המופעל ידנית (איור 3) מספק זיווג מכני בטוח ומשמיע נקישה המאשרת למשתמש שפעולת הנעילה הייתה מוצלחת.

איור 3‏: יחידת ה-CPA מבטיחה שהמחבר המתחבר מחובר במלואו, אחר כך נעול ומרותק במקום, עד שהוא מנותק בכוונה. (מקור תמונה: Hirose)

בהפעלה, יחידת ה-CPA לא יכולה לזוז עד שהחיבור מושלם. ברגע שהתקע מחובר במלואו, השקע לוחץ מטה על יחידת ה-CPA, מזיז אותה למצב נעול, מה שמצביע על כך שהוא מחובר כמתוכנן. כדי לנתק, המשתמש מושך ביחידת ה-CPA כדי לשחרר את הסגר השניוני; ניתן להרגיש בנקישה בעת השחרור.

במקרה של‏ סטייה צירית או רדיאלית, החצאים לא ישמיעו נקישה‏, ובכך מתריעים למשתמש על זיווג שגוי. מחברים אלה מדורגים ליותר מ-10,000 מחזורי חיבור-ניתוק, הרבה מעבר לכל שימוש צפוי בסביבת הרכב.

מפתוח עוזר למנוע את חיבור הכבל הלא נכון עם חצי מחובר המטרה‏. כפי שהוזכר, אחד ממאפייני הנוחות של כבלי USB-C‏ צרכניים‏ הוא שהם הפיכים. זה גם אומר שאין להם מפתוח או דרך לזהות פיזית איזה קצה תקע הולך לאיזה שקע. העדר מפתוח הוא יתרון‏ בעולם של "פשוט תתפוס כבל" וחבר/נתק של יישומים צרכניים. עם זאת, יישומי רכב הם קרובים יותר למצב "חבר ועזוב", וקיים סיכון לחיווט שגוי בעת התקנת רתמות כבלים צפופות ברכב. במקרים כאלה, שילוב מוטעה כזה עלול להוביל לתסכול עקב חיבור לא תקין, נזק אפשרי לציוד ההיקפי וסיכון פוטנציאלי למערכת ולמשתמש.

כדי למנוע טעויות חיווט, סדרת ה-AU1‏ של מחברי USB-C בדרוג רכב תומכת בשני סוגי קודים של מפתח הפרעה-פיזית:‏ קוד סטנדרטי (שחור) וקוד "מפתח A"‏ (אפור/טבעי) (איור 4‏). שני סידורי מפתח אלה מסייעים להבטיח שבמקרה של שני כבלים ומחברים סמוכים, זיווגים לא נכונים אינם אפשריים פיזית. הבדלי הצבעים מסייעים גם בזיהוי שני קודי המפתח.

איור 4‏: משתמשים יכולים להשתמש באחד משני סידורי המפתוח המכני כדי למזער שגיאות של חיבור כבלים; מחברים עם מפתח‏ סטנדרטי הם שחורים, בעוד אלה עם "מפתח A" הם אפורים (זכר)/טבעיים (נקבה). (מקור תמונה: Hirose)

תקנים וביצועים חשמליים

מספרים מגדירים את היכולות הסביבתיות והחשמליות של מחברי‏ Hirose אלה. בצד הסביבתי, הם עובדים בתחום טמפרטורות של ‎−40°C עד ‎+105°C. יתר על כן, הם חסיני מים וחסיני אבק, עם דירוגי IP54‏, IP68‏ או IP69K‏, תלוי בסוג המחבר. דירוג IP69K‏ הוא המחמיר ביותר מהשלושה‏ מפני חדירת אבק ומים.

המחברים תואמים עם תקני ה-United States Council for Automotive Research (USCAR)-2 וה-USCAR-30 לאמינות מובטחת. USCAR-2‏ הוא תקן ביצועים עבור מערכות מחבר חשמליות לרכב, מפרט דרישות עבור הדקים, מחברים ורכיבים ביישומי רכבי כביש מתח-נמוך. USCAR-30‏ הוא מפרט‏ ביצועים עבור מערכות חיבור USB ברכב, המכסה את הדרישות ממחברי וכבלי USB והחיבור החשמלי בין ציוד היקפי צרכני ומקור מחשב‏ USB‏ בכלי-רכב.

מבחינה חשמלית, פיני הכוח שלהם (A4/A9/B4/B9‏ (VBUS)) מדורגים ‎1.25 A‏ בהתאם למפרט ה-USB-C, בעוד הפינים שאינם פיני כוח מדורגים ‎0.25 A, כולם ב-20‎ V_AC ו-V_DC. התנגדות המגע הראשוני היא ‎40 mΩ מקסימום, עולה מעט ללא יותר מ-‎50 mΩ‏ לאחר סדרה של בדיקות מאמץ המוגדרות על ידי התקנים.‏

הגדרת והרכבת מחבר AU1

מחבר‏ פשוט, כגון תקע קו-AC צרכני סטנדרטי, מגיע שלם ומוכן לשימוש במרבית המקרים, ללא רכיבים מוגדרים על ידי משתמש. עם זאת, חברור‏ מתוחכם כגון מחבר ה-AU1‏ מורכב מחלקים נפרדים רבים (איור 5‏). המתכנן יכול להזמין בהתאמה אישית חלק מהחלקים הללו בהתאם לדרישות היישום.

איור 5‏: החלקים של מכלל מחבר ה-AU1 השלם כוללים: 1) תקע USB-C;‏ 2) לוח מעגל; 3) מחזיק חוטים; 4) כבל; 5) מגן 1; 6) מגן 2; 7) תבנית פנימית; 8) תבנית חיצונית; 9) בית מחבר ו-CPA; ו-10) מרתק. (מקור תמונה: Hirose)

איור 6‏ מציג חלק מהרכיבים שמשתמש יכול להגדיר. אלה כוללים (שורה עליונה, משמאל לימין):

• מגן המחבר (AU1MS-24S-SLDA(805
• מרתק המחבר (AU1MS-24RS(805
• בית סגר נעילה ו-CPA עבור תקע עם מפתח סטנדרטי שחור (AU1MS-24S-HU/C(805‏ (או בית סגר נעילה ו-CPA עם מפתח A אפור (AU1MSA-24S-HU/C(805), ביחד עם מרתק, מארז מגן ויחידת תקע
• היחידה הפנימית של מחבר תקע מסוג straddle-mount ‏CX60-24S1-UNIT, הזמינה גם כפריט נפרד עבור מתכננים הזקוקים ליחידות תקע נוספות

תקע הוא רק חצי מהסיפור של מחבר, כי חייב להיות שקע תואם. עבור מחברי Hirose USB-C‏, מתכננים יכולים לבחור בין שתי גרסאות אלו (איור 6‏, שורה תחתונה, משמאל לימין):

• מחבר שקע USB-C ישר לחור-עובר (AU1FS-24P(805, להרכבה על לוח מעגל מודפס (לוח pc)
• מחבר שקע בזווית ישרה (AU1FRA-24P(805

איור 6‏: חלק מרכיבי‏ המחבר הניתנים להגדרה על ידי משתמשים כוללים (שורה עליונה, משמאל לימין) מגן המחבר (AU1MS-24S-SLDA(805, מרתק המחבר (AU1MS-24RS(805, בית סגר הנעילה ו-CPA עבור תקע עם מפתח סטנדרטי שחור (AU1MS-24S-HU/C(805, ומחבר התקע מסוג straddle-mount CX60-24S1-UNIT‏; אפשרויות שקע כוללות (שורה תחתונה, משמאל לימין) שקע USB-C‏ ישר, לחור-עובר, (AU1FS-24P(805 ושקע בזווית ישרה (AU1FRA-24P(805. (מקור תמונה: Hirose)

סיכום

מחבר ה-USB-C‏ מציע תכונות ביצועים רצויות מבחינת שימושיות, מהירות וטיפול בהספקת כוח. עם זאת, המחבר הצרכני הבסיסי אינו מתאים מכנית עבור תכני רכב. מחברי סדרת ה-AU1 משתמשים בסדרת CX של Hirose כבסיס ליצירת מחבר Type-C קשיח, ביצועים-גבוהים, המתאים עבור יישומי רכב והעומד במפרטים ותקנים רלוונטיים לתעשייה.