Wymagania dotyczące płytek drukowanych w systemach elektronicznych pojazdów (3) ADAS i autonomiczna jazda

Wprowadzenie

Zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS) i technologie autonomicznej jazdy zmieniają branżę motoryzacyjną, umożliwiając pojazdom postrzeganie, analizowanie i reagowanie na otoczenie z rosnącą autonomią. Kluczowe moduły, takie jak radar fal milimetrowych (24 GHz/77 GHz), LiDAR, czujniki ultradźwiękowe i systemy kamer, tworzą sieć sensoryczną, która zasila funkcje takie jak adaptacyjny tempomat, ostrzeganie przed opuszczeniem pasa ruchu, automatyczne hamowanie awaryjne i parkowanie automatyczne. Systemy te opierają się na szybkim przesyłaniu danych o wysokiej częstotliwości, co sprawia, że projektowanie PCB jest krytycznym czynnikiem zapewniającym dokładność, niezawodność i wydajność w czasie rzeczywistym. Artykuł ten analizuje specjalistyczne wymagania dotyczące PCB, wyzwania produkcyjne i wschodzące trendy w zastosowaniach ADAS i autonomicznej jazdy.

Przegląd systemu

Systemy ADAS i autonomicznej jazdy integrują wiele technologii czujników, aby stworzyć kompleksowy system świadomości otoczenia:

• Radar (24 GHz/77 GHz): Działa na częstotliwości 24 GHz do wykrywania krótkiego zasięgu (np. wspomaganie parkowania) i 77 GHz do zastosowań dalekiego zasięgu (np. tempomat na autostradzie), wykrywając odległość, prędkość i kierunek obiektu.

• LiDAR: Wykorzystuje impulsy laserowe (długość fali 905–1550 nm) do generowania chmur punktów 3D otoczenia, umożliwiając precyzyjne mapowanie przeszkód i terenu.

• Czujniki ultradźwiękowe: Zapewniają wykrywanie obiektów na krótkim zasięgu (zazwyczaj <5m) w scenariuszach niskich prędkości, takich jak parkowanie, wykorzystując fale dźwiękowe do pomiaru odległości.

• Kamery: Przechwytują dane wizualne do rozpoznawania znaków drogowych, wykrywania znaków drogowych i identyfikacji pieszych, wymagając obrazowania o wysokiej rozdzielczości i szybkiego przetwarzania danych.

Wymagania dotyczące projektu PCB

Płytki PCB ADAS i autonomicznej jazdy muszą spełniać unikalne wymagania techniczne, aby obsługiwać wydajne działanie czujników:

1. Integralność sygnału o wysokiej częstotliwości

Czujniki wysokiej częstotliwości (np. radar 77 GHz) wymagają płytek PCB zoptymalizowanych pod kątem minimalnej straty sygnału i precyzyjnej transmisji:

• Materiały o niskich stratach: Laminaty takie jak Rogers RO4000, Megtron 6 i Tachyon są preferowane ze względu na niski współczynnik dielektryczny (Dk) i współczynnik stratności (Df), minimalizując tłumienie sygnału przy wysokich częstotliwościach.

• Ścisła kontrola impedancji: Utrzymanie impedancji w tolerancji ±5% ma kluczowe znaczenie dla szybkich ścieżek danych, zapewniając integralność sygnału w transceiverach radarowych i obwodach sterowania LiDAR.

• Kontrolowane prowadzenie: Krótkie, bezpośrednie ścieżki śladów o spójnej geometrii redukują odbicia i przesłuchy, co jest niezbędne dla radarów 77 GHz i interfejsów kamer wielogigabitowych.

2. Miniaturyzacja

Ograniczenia przestrzenne w miejscach montażu w pojeździe (np. zderzaki, lusterka, dach) wymuszają potrzebę kompaktowych projektów PCB:

• 6–10 warstwowych stosów: Struktury wielowarstwowe maksymalizują gęstość komponentów, jednocześnie oddzielając warstwy zasilania, masy i sygnału w celu zmniejszenia zakłóceń.

• Komponenty o drobnym skoku: Integracja układów scalonych o małej powierzchni i elementów pasywnych (np. obudowy 0402 lub mniejsze) umożliwia wyższą funkcjonalność w ograniczonej przestrzeni.

3. Odporność na warunki środowiskowe

Czujniki montowane zewnętrznie lub w trudnych warunkach pojazdu wymagają solidnej ochrony PCB:

• Wodoodporna i pyłoszczelna konstrukcja: Powłoki konformalne i uszczelnione obudowy zapobiegają wnikaniu wilgoci i zanieczyszczeń, co ma kluczowe znaczenie dla radarów pod zderzakiem i kamer zewnętrznych.

• Odporność na promieniowanie UV: Płytki PCB do LiDAR montowanych na dachu lub kamer w przedniej szybie muszą wytrzymać długotrwałe działanie promieni słonecznych bez degradacji materiału.

Tabela 1: Wymagania dotyczące częstotliwości czujników ADAS i materiałów PCB

Wyzwania produkcyjne

Produkcja płytek PCB dla systemów ADAS wymaga precyzyjnej inżynierii, aby spełnić wymagania dotyczące wysokiej częstotliwości i niezawodności:

• Trawienie PCB mikrofalowych: Anteny radarowe wymagają ultraprecyzyjnej kontroli szerokości linii (±0,02 mm), aby utrzymać wzorce promieniowania i charakterystykę częstotliwościową, co stanowi wyzwanie dla tradycyjnych procesów trawienia.

• Laminowanie materiałów mieszanych: Hybrydowe płytki PCB łączące FR-4 z podłożami PTFE lub ceramicznymi (dla LiDAR i radaru) wymagają ścisłej kontroli ciśnienia i temperatury laminowania, aby zapobiec rozwarstwieniu i zapewnić jednorodne właściwości dielektryczne.

• Prowadzenie danych z dużą prędkością: Interfejsy takie jak USB, Ethernet i MIPI D-PHY wymagają ścisłego dopasowania impedancji i prowadzenia par różnicowych z minimalnym odchyleniem, aby obsługiwać szybkość przesyłania danych wielogigabitowych z kamer i czujników.

Tabela 2: Tolerancje PCB dla płyt ADAS o wysokiej częstotliwości

Przyszłe trendy

Wraz z przejściem autonomicznej jazdy na wyższe poziomy (L3+), projektowanie PCB będzie ewoluować, aby wspierać bardziej złożone potrzeby fuzji czujników i obliczeń:

• Integracja z procesorami AI: Wysokowydajne procesory GPU i jednostki przetwarzania neuronowego (NPU) zostaną zintegrowane bezpośrednio z płytkami PCB czujników, umożliwiając analizę danych w czasie rzeczywistym i zmniejszając opóźnienia w rozpoznawaniu obiektów.

• Moduły fuzji czujników: Połączenie interfejsów radarowych, LiDAR i kamer na jednej płytce PCB usprawni agregację danych, wymagając zaawansowanych technik izolacji sygnału i synchronizacji.

• Szybkie interfejsy: Przyjęcie PCIe Gen4/5 i 10G Ethernet umożliwi szybszy transfer danych między czujnikami a centralnymi jednostkami obliczeniowymi, wymagając materiałów o niskich stratach i zoptymalizowanego prowadzenia par różnicowych.

Tabela 3: Warstwa PCB modułu ADAS

Wnioski

Systemy ADAS i autonomicznej jazdy stawiają bezprecedensowe wymagania dotyczące projektowania PCB, wymagając wysokiej wydajności częstotliwościowej, miniaturyzacji i odporności na warunki środowiskowe. Wraz z czujnikami działającymi przy coraz wyższych częstotliwościach i szybkościach przesyłania danych, materiały PCB, precyzja produkcji i optymalizacja układu stały się krytyczne dla bezpieczeństwa i autonomii pojazdu. W miarę jak branża zmierza w kierunku pełnej autonomii, płytki PCB będą nadal ewoluować, integrując przetwarzanie AI, fuzję wielu czujników i ultraszybkie interfejsy, aby umożliwić nową generację inteligentnych technologii jazdy.