Auswahl von Power-over-Coax-Induktivitäten für ADAS und Infotainment

Entwickler von Automobilsystemen setzen zunehmend auf Power-over-Coax-Architekturen (PoC), um ein einziges Kabel sowohl für die Stromversorgung als auch für die Highspeed-Übertragung von Daten zu verwenden. Dieser Ansatz reduziert den Verkabelungsaufwand und vereinfacht das Systemdesign, insbesondere in datenintensiven Subsystemen wie Fahrerassistenzsystemen (ADAS), Infotainment und sensorgesteuerten Antriebssträngen. Die Implementierung einer zuverlässigen PoC-Bias-T-Schaltung erfordert jedoch eine sorgfältige Auswahl der Induktivität, um konkurrierende Anforderungen an die Stromversorgung und Datenübertragung zu bewältigen.

Dieser Artikel bietet einen Überblick über den Entwurf von PoC-Bias-T-Schaltungen. Anschließend werden PoC-Induktivitäten für Automobilanwendungen von Murata vorgestellt und gezeigt, wie sie Entwickler bei der Optimierung von Bias-T-Schaltungen für Antriebsstrang-, Fahrzeugsicherheits- und Infotainmentsysteme unterstützen. Außerdem werden zwei nützliche Tools zur Auswahl von Induktivitäten beschrieben.

Die Bedeutung des Bias-T-Schaltungsdesigns für PoC im Automobilbereich

Bias-T-Schaltungen spielen in PoC-Systemen eine entscheidende Rolle, indem sie Gleichstrom von Highspeed-Datensignalen trennen. Eine typische PoC-Anwendung im Automobilbereich verwendet Koaxialkabel zur Verbindung von Sensoren und Steuereinheiten, wobei an jedem Ende Bias-T-Schaltungen die Stromversorgungs- und Signalwege verwalten (Abbildung 1). Induktivitäten in diesen Schaltungen blockieren hochfrequente Signale, um die Stromversorgung sauber zu halten, während Kondensatoren verhindern, dass Gleichspannung empfindliche Serialisierer-/Deserialisierer-Module (SerDes) erreicht.

Abbildung 1: Eine typische PoC-Anwendung verwendet Bias-T-Schaltungen an jedem Ende eines Koaxialkabels, um Gleichstrom von Highspeed-Datensignalen zu trennen. (Bildquelle: Murata)

Bei der Konstruktion des induktiven Teils einer Bias-T-Schaltung ist auf Details besonders zu achten. Um ein Austreten des Signals in die Stromleitung zu verhindern, muss die Induktivität über einen breiten Frequenzbereich eine hohe Impedanz aufweisen. Wenn diese Impedanz unzureichend ist, kann die Restsignalenergie zu Leistungsschwankungen führen, die die Systemleistung beeinträchtigen.

In der Praxis kann eine einzelne Induktivität möglicherweise nicht alle relevanten Frequenzen ausreichend blockieren. Aus diesem Grund verwenden Entwickler häufig mehrere Induktivitäten zusammen mit den dazugehörigen Widerständen und Kondensatoren, um Antiresonanzen zu unterdrücken. Antiresonanzen sind schmale Frequenzbänder, in denen die Impedanz abfällt und die Filterung unwirksam wird. Diese Effekte entstehen durch das Zusammenspiel mehrerer Komponenten mit unterschiedlichen Frequenzgängen.

Herausforderungen beim Entwurf von PoC-Bias-T-Schaltungen

Obwohl Konfigurationen mit mehreren Induktivitäten den Sperrbereich einer Bias-T-Schaltung erweitern können, erhöhen sie auch die Komplexität, da jede zusätzliche Induktivität das Risiko einer Antiresonanz erhöht. Das Management dieser Wechselwirkungen erfordert zusätzliche Widerstände und Kondensatoren, was die Anzahl der Bauteile und den Entwicklungsaufwand weiter erhöht.

Um diese Komplexität zu reduzieren, versuchen Entwickler häufig, die Anzahl der erforderlichen Induktivitäten zu minimieren. Eine einzige Induktivität mit großer Bandbreite verringert die Wahrscheinlichkeit von Antiresonanzeffekten, verbessert die Filterkonsistenz und hilft, wertvollen Platz auf der Platine zu sparen. Letzteres ist in kompakten Automobil-Subsystemen von entscheidender Bedeutung.

Die Schwierigkeit besteht darin, eine Induktivität mit der richtigen Kombination aus Impedanz, Frequenzgang und anderen elektrischen Eigenschaften auszuwählen. Dies ist zum Teil deshalb eine Herausforderung, weil PoC-Anwendungen vielfältige Anforderungen haben. Antriebsstrang, ADAS und Infotainmentsysteme haben unterschiedliche Anforderungen an die Leistungsbereitstellung und Datenbandbreite, und innerhalb jeder dieser Kategorien gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den Anwendungsanforderungen.

Ein Ansatz mit einer einzigen Induktivität für den Entwurf einer PoC-Bias-T-Schaltung

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Murata eine Familie von Induktivitäten entwickelt, die speziell für PoC-Bias-T-Schaltungen in Kraftfahrzeugen konzipiert sind. Die Produktfamilie umfasst eine Vielzahl von Leistungsmerkmalen und bietet Entwicklern damit die Flexibilität, die Anforderungen verschiedener Anwendungen zu erfüllen.

Jede Komponente dieser Produktfamilie bietet eine hohe Impedanz über einen breiten Frequenzbereich – ein Leistungsmerkmal, für das bisher mehrere Induktivitäten erforderlich waren. Dieses Merkmal ermöglicht eine effektive Signalblockierung bei minimaler Größe und Komplexität der Bias-T-Schaltung. Weitere Funktionen, die die Ziele im Automobilbau unterstützen, sind:

• Nennstrom bis zu 1 Ampere (A): Geeignet für die Versorgung von Hochstromlasten wie Sensoren und Aktoren in Antriebsstrang- und ADAS-Systemen
• Hohe Stromsättigung: Erhält die Induktivität unter Last aufrecht und verhindert so Leistungseinbußen bei starken Magnetfeldern.
• Niedriger Gleichstromwiderstand: Reduziert Verluste bei der Trennung von Stromversorgung und Signal und verbessert so die Gesamteffizienz.
• Abgeschirmte Konstruktion: Minimiert elektromagnetische Störungen (EMI) und unterstützt den zuverlässigen Betrieb der umgebenden Schaltkreise.
• Kompakte Bauweise: Spart Platz auf der Platine und ermöglicht den Einsatz in Automobil-Layouts hoher Packungsdichte.
• Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C: Unterstützt die Performance in rauen Automobilumgebungen
• AEC-Q200-Zertifizierung und RoHS-Konformität: Erfüllt Automobil- und Umweltstandards

Zusammen machen diese Merkmale die PoC-Induktivitäten von Murata ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Sicherheitssysteme für Kraftfahrzeuge, Infotainment und Antriebsstrangsteuerung.

PoC-Induktivität für Antriebsstrang-Anwendungen

Powertrain-Subsysteme beinhalten häufig sensorgesteuerte Kommunikation mit relativ niedrigen Datenraten. Für diese Anwendungen kann eine Lösung mit hoher Induktivität wie die Komponente LQW43FT180M0HL (Abbildung 2) dazu beitragen, eine stabile Stromversorgung sicherzustellen. Die Nennleistung dieser Komponente von 18 µH sorgt für eine hohe Impedanz bei niedrigen Frequenzen und blockiert unerwünschte Signalanteile effektiv. Diese Performance wird durch die Eigenresonanzfrequenz von 40 MHz gewährleistet, die gut auf den Frequenzbereich typischer Datenströme im Antriebsstrang abgestimmt ist.

Abbildung 2: Der LQW43FT180M0HL ist eine kompakte Induktivität mit großer Bandbreite, die in PoC-Bias-T-Schaltungen für Kraftfahrzeuge die Funktion mehrerer Induktivitäten übernimmt. (Bildquelle: Murata)

Die Induktivität ist für 600 Milliampere (mA) ausgelegt und eignet sich daher für viele periphere Subsysteme innerhalb des Antriebsstrangs. Ihr niedriger Gleichstromwiderstand von 160 mΩ trägt zur Minimierung von Leistungsverlusten bei, während das 1812-Gehäuse mit Abmessungen von 4,5 mm × 3,2 mm × 3,7 mm eine kompakte Alternative zu Designs mit mehreren Induktivitäten darstellt.

PoC-Induktivität für ADAS-Anwendungen

ADAS-Anwendungen müssen deutlich höhere Datenraten von Sensoren, wie beispielsweise hochauflösenden Kameras, verarbeiten können. Die LQW32FT2R2M0HL (Abbildung 3) ist eine Komponente mit mittlerer Induktivität (2,2 µH), die speziell für diesen Zweck entwickelt wurde. Ihre Eigenresonanzfrequenz von 200 MHz ermöglicht eine effektive Signalblockierung für die Kommunikation mit hoher Bandbreite.

Abbildung 3: Die LQW32FT2R2M0HL wurde für PoC-Anwendungen entwickelt und bietet sowohl hohe Leistung als auch hohe Datenraten. (Bildquelle: Murata)

Neben hohen Datenraten haben ADAS-Subsysteme oft einen erheblichen Leistungsbedarf. Der Nennstrom von 1 A dieser Induktivität ist für diese höheren Leistungsanforderungen ausgelegt, darunter LiDAR-Sensoren oder die in automatischen Spurhalteassistenten verwendeten Aktuatoren. Sie ist in einem 1210-Gehäuse mit den Abmessungen 3,2 mm × 2,5 mm × 2,5 mm untergebracht.

PoC-Induktivität für Infotainment-Anwendungen

Infotainment-Systeme arbeiten in der Regel mit hohen Datenraten, verbrauchen aber relativ wenig Strom. Die LQW21FT2R0M0HL (Abbildung 4) bietet eine kompakte Lösung, die auf diese Anforderungen zugeschnitten ist. Mit einer Induktivität von 2 µH und einer Eigenresonanzfrequenz von 230 MHz bietet sie eine effektive Signalunterdrückung im Frequenzbereich, der üblicherweise von schnellen Audio-, Video- und Navigationsdatenströmen genutzt wird.

Abbildung 4: Die LQW21FT2R0M0HL unterstützt PoC für den Automobilbereich mit hoher Datenrate. (Bildquelle: Murata)

Die Induktivität ist für 400 mA ausgelegt und eignet sich daher für Endgeräte mit geringer Leistung wie Infotainment-Displays und Multimedia-Steuerungsmodule. Sie ist in einem 0805-Gehäuse mit Abmessungen von nur 2,0 mm × 1,2 mm × 1,8 mm untergebracht und eignet sich daher besonders für Anwendungen mit begrenztem Platz auf der Leiterplatte.

Nützliche Hilfsmittel für die Auswahl von Bias-T-Induktivitäten

Das Entwerfen und Charakterisieren einer Bias-T-Schaltung kann komplex sein, insbesondere wenn die elektrische Performance gegen die Größe und die Systembeschränkungen abgewogen werden muss. Um den Prozess zu optimieren, bietet Murata zwei kostenlose Online-Tools an, mit denen Ingenieure geeignete Induktivitäten für PoC-Anwendungen bewerten und auswählen können.

Das erste ist das Bias-T Inductor Design Support Tool (Abbildung 5). Dieses Tool ermöglicht es Entwicklern, Parameter wie Gleichstrom, Umgebungstemperatur und Kabeleigenschaften einzugeben, um eine vollständige Bias-T-Konfiguration zu erstellen. Das Tool empfiehlt automatisch Induktivitäten zusammen mit geeigneten Widerständen und Kondensatoren und liefert simulierte Leistungsdiagramme, einschließlich S-Parametern und Impedanzkurven, für einen tieferen Einblick in das Schaltungsverhalten.

Abbildung 5: Das „Bias-T Inductor Design Support Tool“ optimiert die Auswahl von PoC-Induktivitäten für Automobile und die Charakterisierung von Bias-T-Schaltungen. (Bildquelle: Murata)

Zusätzlich zur Simulation der Bias-T-Schaltung können Benutzer über Dropdown-Menüs bestimmte Referenzkriterien für Berechnungen auswählen, darunter verschiedene Kommunikationsprotokolle und Kabelparameter. Eine Option zur Berücksichtigung von Streukapazitäten ist ebenfalls enthalten, um ein besseres Verständnis der tatsächlichen Leistung zu ermöglichen.

Für eine allgemeinere Suche bietet das Auswahltool für Induktivitäten von Murata (Abbildung 6) eine Suchfunktion nach Teilenummern und die Möglichkeit, nach Anwendung, elektrischen Eigenschaften und Größe zu filtern. Nach der Auswahl kann der Benutzer die Frequenzcharakteristik der Induktivität sowie die S-Parameter für Serien- und Shuntkonfigurationen simulieren. Dadurch entfällt die zeitaufwändige Suche nach geeigneten Komponenten in Datenblättern und auf Produktseiten.

Abbildung 6: Das Auswahltool für Induktivitäten ermöglicht eine schnelle Bewertung der Performance der Induktivität für eine Vielzahl von Anwendungen. (Bildquelle: Murata)

Fazit

Die Herausforderung, eine komplexe Bias-T-Schaltung für PoC zu entwickeln, lässt sich durch den Einsatz der breitbandigen Induktivitäten von Murata erheblich vereinfachen. Jede dieser Induktivitäten kann eine Schaltung ersetzen, für die zuvor mehrere Komponenten erforderlich waren, was Platz spart und die Systemstabilität erhöht. Durch die Bereitstellung einer Familie anwendungsspezifischer Induktivitäten und leistungsstarker Online-Designtools beseitigt Murata erhebliche Hindernisse und erleichtert Ingenieuren die Entwicklung und Einführung der PoC-Technologie.