Mehrschichtdrosseln spielen eine wichtige Rolle bei PoC-Anwendungen im Automobilbereich

Die neueren Fahrzeuge der Ober- und Mittelklasse, die auf der Autobahn unterwegs sind, verwenden wahrscheinlich Power-over-Coax(PoC)-Kabel, um den Strom und die Daten zu übertragen, die für elektronische Systeme mit hoher Bandbreite benötigt werden, und um die Komplexität der Verkabelung und das Gesamtgewicht zu reduzieren. Selbst in preiswerteren Fahrzeugen wird die PoC-Technologie allmählich eingesetzt, da Infotainment- und Fahrerassistenzanwendungen auf den Markt drängen.

Rückfahrkameras und automatische Notbremsung sind jetzt für alle Fahrzeuge auf dem US-Markt vorgeschrieben, unabhängig vom Preis. PoC-Verkabelung bietet eine einfachere und kostengünstigere Möglichkeit, sowohl Strom als auch Daten über ein einziges Kabel zu übertragen (Abbildung 1). Durch die Gewichtsreduzierung kann die Technologie dazu beitragen, die Kraftstoffeffizienz von gasbetriebenen Fahrzeugen und die Reichweite von Elektrofahrzeugen (EVs) zu verbessern. Einfachere Kabelkonfektionen können auch dazu beitragen, den Zeit- und Arbeitsaufwand für Installation und Wartung zu verringern, Materialkosten zu sparen und die Produktpalette eines Herstellers zu erweitern.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines typischen PoC-Übertragungssystems. (Bildquelle TDK Corporation)

Die Kombination von Signalen und Leistung in einem einzigen Koaxialkabel ist jedoch von Natur aus verrauscht, so dass PoC-Anwendungen im Automobilbereich hochohmige Filterdrosseln benötigen, um die Betriebssicherheit komplexer elektronischer Systeme zu gewährleisten. Eine ordnungsgemäße Impedanzanpassung ist unerlässlich, um Spannungsabfälle, Leistungsverluste und Datenverschlechterungen zu vermeiden, die sich negativ auf den Fahrzeugbetrieb auswirken könnten.

Mehrschichtdrosseln sind zunehmend unverzichtbar, da sie für eine saubere Signalübertragung sorgen. Sie bieten eine hohe Induktivität und Impedanz bei sehr kompakten Formfaktoren, die den Anforderungen der Automobilhersteller nach Platzersparnis bei zunehmender Bordelektronik entsprechen.

Wie PoC mit den Anforderungen von Automobilanwendungen übereinstimmt

PoC optimiert die Übertragung von Strom und Daten über ein einziges Kabel, spart Materialkosten durch weniger Komponenten und reduziert potenzielle Fehlerquellen.

Die Technologie kann leichter skaliert werden, um zusätzliche Funktionen zu unterstützen, was entscheidend ist, da sich die Hersteller bemühen, mehr Sensoren und andere Elektronik für Infotainment und Sicherheit hinzuzufügen, einschließlich immer anspruchsvollerer fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Hochwertige Fahrzeuge gehen über die Anforderungen hinaus und bieten Premium-Funktionen wie autonomes Fahren der Stufe 2, 360-Grad-Kamerasicht und automatisches Längs- und Querparken.

Dies erfordert die Fähigkeit, Highspeed-Datenübertragung, hochauflösendes Video und Echtzeitkommunikation zu bewältigen. Die hohen Bandbreiten und Hochfrequenzeigenschaften von PoC sind entscheidend für die Implementierung moderner Fahrzeugsysteme, die zunehmend auf Multi-Sensor-Fusion, 5G-Vernetzung, zentralisierte Rechenarchitekturen und Edge-Computing-Fähigkeiten angewiesen sind. PoC unterstützt Standards der Automobilindustrie wie FPD-Link III mit bis zu 4 Gbit/s pro Link und Automotive-Ethernet-Übertragung mit bis zu 10 Gbit/s.

Automobilanwendungen müssen strenge Normen erfüllen, insbesondere wenn es um elektromagnetische Störungen (EMI) durch Hochfrequenzquellen in einem typischen Fahrzeug geht, wie z. B. Zündsysteme und Elektromotoren. EMI-Störungen können wichtige Sicherheits- und Infotainmentsysteme stören, die Autofahrern helfen, Kollisionen zu vermeiden, in der Spur zu bleiben und zu verlangsamen oder anzuhalten, wenn Fahrzeuge, Fußgänger oder andere Hindernisse im Weg sind.

Abgeschirmtes Koaxialkabel bietet einen gewissen Schutz vor EMI, aber da PoC sowohl der Stromversorgung als auch der Übertragung von Datensignalen dient, benötigen Anwendungen Filter, um Übersprechen und potenzielle Systeminstabilität zu verhindern. Ein Kondensator auf der Signalleitungsseite wird verwendet, um den Strom aus der Gleichstromversorgung zu blockieren, und eine Filterdrossel auf der Stromversorgungsleitung verhindert breitbandige Signalstörungen.

Filterdrosseln auf der Stromversorgungsleitung unterdrücken Rauschen und gewährleisten die Signalintegrität, indem sie Störungen blockieren, während der Gleichstrom fließen kann. Ergänzt werden sie durch oberflächenmontierte Chip-Ferritkerne, die EMI unterdrücken, das Übersprechen minimieren und lokalisierte Filterung bieten.

Chip-Ferritkerne und Filterdrosseln arbeiten zusammen, um die nahtlose Stromversorgung und Übertragung von Hochfrequenzdatensignalen über ein einziges Koaxialkabel zu gewährleisten. Jede Komponente spielt eine ergänzende Rolle bei der Rauschunterdrückung und der Aufrechterhaltung der Signalintegrität. Dies ist von entscheidender Bedeutung für eine saubere Stromversorgung und eine stabile Datenkommunikation, die für die Zuverlässigkeit und Effizienz von PoC-Anwendungen im Automobilbereich unerlässlich ist.

Die Rolle von Induktivitäten in PoC-Systemen

Standardinduktivitäten auf Spulenbasis können verwendet werden, um Hochfrequenzdatensignale von der Stromversorgungsleitung zu blockieren und gleichzeitig Gleichstrom durchzulassen, aber sie können sperrig sein und sind für den Hochfrequenzbereich, der für PoC-Anwendungen erforderlich ist, nicht geeignet. Ein typischer PoC-Filter besteht aus vier Induktivitäten zusammen mit Chip-Ferritkernen, die wertvollen Platz auf einer Leiterplatte (PCB) einnehmen.

Mehrschichtdrosseln sind sehr kompakt und besser für den begrenzten Platzbedarf von Automobilanwendungen geeignet. Sie werden durch das Stapeln von Schichten aus leitenden und isolierenden Materialien zu einer kompakten monolithischen Struktur geformt und sind daher ideal für den Einsatz in Automobilsystemen.

Bei der Auswahl einer optimalen Mehrschichtdrossel müssen Produktentwickler Leistung, Größe und Zuverlässigkeit in Einklang bringen, um eine effiziente Stromversorgung und Datenintegrität zu gewährleisten. Hochfrequente Datensignale in PoC-Systemen erfordern Induktivitäten mit gleichbleibend hoher Impedanz über weite Frequenzbereiche, typischerweise im MHz- bis GHz-Bereich, um Rauschen wirksam zu unterdrücken. Ein niedriger Gleichstromwiderstand (DCR) ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, um Leistungsverluste zu minimieren, insbesondere für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge.

Entwickler sollten die Rauschumgebung berücksichtigen und können sich entscheiden, Mehrschichtdrosseln mit Chip-Ferritkernen zu kombinieren, um die EMI-Unterdrückung zu verbessern. Eine Mehrschichtdrossel und zwei Chip-Ferritkerne könnten die zuvor erwähnte Vierdrosselkombination ersetzen, wodurch sich die benötigte Leiterplattenfläche erheblich verringert.

Mehrschichtdrosseln für PoC-Anwendungen sind so konzipiert, dass sie strenge Automobilstandards wie AEC-Q200 erfüllen und eine hervorragende EMI-Unterdrückung bei hohen Frequenzen bieten. Sie werden mit fortschrittlichen Verfahren hergestellt, die für die Anforderungen der Automobilproduktion in hohen Stückzahlen skalierbar sind.

Induktivitäten der Serie MLJ-G von TDK

Die TDK Corporation bietet eine breite Palette von Induktivitäten für Filterschaltungen an, die den strengen Anforderungen von PoC-Anwendungen im Automobilbereich gerecht werden. Die Serie MLJ-G ist in zwei Produktgruppen erhältlich, die sich beide durch eine hohe Impedanz für AC-Komponenten auszeichnen, die in ADAS eingesetzt werden, und Optionen für unterschiedliche Anwendungen bieten. Diese Induktivitäten werden gemäß den Spezifikationen für die Automobilindustrie gebaut und sind so robust, dass sie den im Fahrzeugbetrieb üblichen Erschütterungen standhalten und eine lange Lebensdauer haben.

Die neueren Induktivitäten der Serie MLJ1005-G, wie die MLJ1005WGHR27PTD25 (Abbildung 2), messen 1,0 mm × 0,5 mm × 0,5 mm. Sie unterstützen einen Strom von bis zu 480 mA und erreichen eine hohe Impedanz bei hohen Frequenzen mit minimaler Alterung, um höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten in PoC-Implementierungen im Automobilbereich, wie z. B. Kamerasysteme mit SerDes-Übertragung, zu ermöglichen.

Abbildung 2: Repräsentatives Bild einer Induktivität der Serie MLJ-1005-G von TDK. (Bildquelle: TDK Corporation)

Die Induktivitäten der Serie MLJ1608-G sind mit 1,6 mm × 0,8 mm × 0,8 mm etwas größer und bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Größe und Performance. Die MLJ1608WGCR56NTD25 unterstützt beispielsweise einen Strom von bis zu 500 mA und weist im Vergleich zu herkömmlichen Mehrschichtdrosseln eine geringere Impedanzschwankung bei Stromzufuhr auf.

Die Serie MLJ1608-G erreicht eine maximale Impedanz von 2500 Ω und behält Werte über 1000 Ω zwischen einem Frequenzbereich von 300 MHz und 2 GHz bei, wodurch hochfrequentes Rauschen effektiv gefiltert wird. Sie arbeiten zuverlässig bei mechanischen Vibrationen und in einem Temperaturbereich von -55°C bis +125°C und erfüllen die Standards der Automobilindustrie.

Die MLJ-G-Produktlinien verwenden verlustarme Ferritmaterialien, die EMI absorbieren und zerstreuen, um eine minimale Energiedissipation zu gewährleisten, was für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität in Hochfrequenzumgebungen in der Automobilindustrie entscheidend ist. Mit ihrem geringen Gleichstromwiderstand minimieren sie die Energieverluste und gewährleisten so eine effiziente Leistungsabgabe selbst in kompakten, leistungsstarken Automobilkonstruktionen.

Paarung von Chip-Ferritkernen mit Induktivitäten

Entwickler können ihre PoC-Anwendungen im Automobilbereich verbessern, indem sie rauschunterdrückende Chip-Ferritkerne auswählen, die die Induktivitäten der MLJ-G-Serie ergänzen.

Die Chip-Ferritkerne der Serie MMZ von TDK sind sowohl für Signal- als auch für Stromversorgungsschaltungen geeignet. Sie bieten eine hohe Impedanz über einen breiten Frequenzbereich und eignen sich daher zur Unterdrückung von Hochfrequenzrauschen. Die MPZ-Serie ist für Stromleitungsanwendungen im Automobilbereich optimiert und bietet einen niedrigen Gleichstromwiderstand und eine hohe Strombelastbarkeit zur Aufrechterhaltung der Leistungsintegrität in PoC-Schaltungen.

Fazit

Die Induktivitäten der Serie MLJ-G von TDK sowie die Chip-Ferritkerne der Serien MMZ und MPZ erfüllen die strengen Anforderungen von PoC-Anwendungen im Automobilbereich und gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb und Signalintegrität, da die Hersteller immer mehr Sicherheits- und Infotainment-Anwendungen entwickeln, die auf hochfrequente Signale und hohe Bandbreiten angewiesen sind.