Meerlagige inductors spelen essentiële rol in PoC-toepassingen voor auto's

De nieuwere high-end en midrange voertuigen die over de snelweg rijden, maken waarschijnlijk gebruik van Power over Coax (PoC) kabelassemblages om de stroom en gegevens te verzenden die nodig zijn voor elektronische systemen met hoge bandbreedte en om de complexiteit van de bedrading en het totale gewicht te verminderen. Zelfs goedkopere auto's beginnen PoC-technologie te gebruiken naarmate infotainment en bestuurdersassistentietoepassingen op de markt komen.

Achteruitrijcamera's en automatische noodremmen zijn nu verplicht in alle voertuigen voor de Amerikaanse markt, ongeacht de prijs. PoC-bekabeling biedt een eenvoudigere, meer kosteneffectieve manier om zowel stroom als gegevens via één kabel te verzenden (Afbeelding 1). Door het gewicht te verminderen kan de technologie de brandstofefficiëntie van voertuigen die op gas rijden en de actieradius van elektrische voertuigen (EV's) verbeteren. Eenvoudiger kabelassemblages kunnen ook helpen om de tijd en arbeid voor installatie en onderhoud te verminderen, besparen op materiaalkosten en schaalbaarheid binnen de productlijn van een fabrikant.

Afbeelding 1: Schematische weergave van een typisch PoC-overdrachtsysteem. (Bron afbeelding: TDK Corporation)

Het combineren van signalen en vermogen binnen een enkele coaxkabel is echter inherent ruisgevoelig, dus hebben PoC-toepassingen in de auto-industrie filterinductors met hoge impedantie nodig om de operationele betrouwbaarheid van complexe elektronische systemen te garanderen. Een juiste afstemming van de impedantie is essentieel om spanningsverliezen, stroomverlies en gegevensdegradatie te voorkomen die de werking van het voertuig negatief kunnen beïnvloeden.

Inductors met meerdere lagen zijn in toenemende mate onmisbaar vanwege hun vermogen om zuivere signaaltransmissies te garanderen. Ze bieden een hoge inductie en impedantie in zeer compacte vormfactoren die voldoen aan de ruimtebesparende eisen naarmate autofabrikanten de boordelektronica uitbreiden.

Hoe PoC aansluit bij de vereisten van toepassingen in de auto-industrie

PoC stroomlijnt de levering van stroom en gegevens via een enkele kabel, bespaart op materiaalkosten met minder componenten en vermindert potentiële storingspunten.

De technologie kan gemakkelijker worden opgeschaald om extra functies te ondersteunen, wat cruciaal is omdat assemblagefabrikanten zich haasten om meer sensoren en andere elektronica toe te voegen voor infotainment en veiligheid, waaronder steeds geavanceerdere ADAS-systemen (advanced driver assistance systems). Voertuigen uit het topsegment gaan verder dan mandaten en bieden premium functies zoals autonoom rijden op niveau 2, 360-graden cameraweergave en automatisch parallel en haaks parkeren.

Dit vereist de mogelijkheid om gegevens met hoge snelheid door te sturen, video met hoge resolutie en realtime communicatie. De hoge bandbreedte, hoge frequentie mogelijkheden van PoC zijn cruciaal bij de implementatie van geavanceerde voertuigsystemen die steeds meer vertrouwen op multi-sensorfusie, 5G-connectiviteit, gecentraliseerde computerarchitecturen en edge computing-mogelijkheden. PoC ondersteunt auto-industriestandaarden zoals FPD-Link III met maximaal 4 Gbps per link en automotive Ethernet-transmissie tot 10 Gbps.

Automobieltoepassingen moeten worden ontworpen om aan strenge normen te voldoen, vooral als het gaat om elektromagnetische interferentie (EMI) van de hoogfrequente bronnen in een typisch voertuig, zoals ontstekingssystemen en elektromotors. EMI-geluid kan essentiële veiligheids- en infotainmentsystemen verstoren die automobilisten helpen botsingen te vermijden, in hun rijstrook te blijven en af te remmen of te stoppen wanneer voertuigen, voetgangers of andere obstakels op hun pad komen.

Afgeschermde coax biedt enige bescherming tegen EMI, maar omdat PoC zowel voedings- als gegevenssignalen uitzendt, hebben toepassingen filters nodig om overspraak en potentiële systeeminstabiliteit te voorkomen. Een condensator aan de signaallijnzijde wordt gebruikt om stroom van de DC-voeding te blokkeren en een filterinductor op de voedingslijn voorkomt breedbandige signaalinterferentie.

Filterinductors op de voedingslijn onderdrukken ruis en zorgen voor signaalintegriteit door interferentie te blokkeren terwijl de gelijkstroom wel kan stromen. Ze worden aangevuld met aan de oppervlakte gemonteerde chipbeads die EMI onderdrukken, overspraak minimaliseren en plaatselijke filtering bieden.

Chipbeads en filterinductors werken samen om de naadloze overdracht van vermogen en hoogfrequente gegevenssignalen over een enkele coaxkabel te garanderen. Elk onderdeel speelt een complementaire rol in het beheren van ruis en het behouden van signaalintegriteit. Dit is cruciaal voor een schone stroomvoorziening en stabiele datacommunicatie, wat essentieel is voor de betrouwbaarheid en efficiëntie van PoC-toepassingen in de auto-industrie.

De rol van inductors in PoC-systemen

Standaard spoelinductors kunnen worden gebruikt om hoogfrequente gegevenssignalen van de voedingslijn te blokkeren terwijl ze gelijkstroom doorlaten, maar ze kunnen omvangrijk zijn en slecht presteren met het hoogfrequente bereik dat nodig is voor PoC-toepassingen. Een typisch PoC-filter zou bestaan uit vier inductors samen met chipbeads, die kostbare ruimte innemen op een printplaat (PCB).

Meerlagige inductors zijn zeer compact en beter geschikt voor de beperkte ruimte in autotoepassingen. Ze worden gevormd door lagen geleidende en isolerende materialen op elkaar te stapelen tot een compacte monolithische structuur, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in autosystemen.

Bij het kiezen van een optimale meerlagige inductor moeten productontwerpers een balans vinden tussen prestaties, afmetingen en betrouwbaarheid om een efficiënte vermogensafgifte en gegevensintegriteit te garanderen. Hoogfrequente gegevenssignalen in PoC-systemen vereisen inductors met een consistent hoge impedantie over een breed frequentiebereik, meestal in het MHz- tot GHz-bereik, om ruis effectief te onderdrukken. Een lage DC-weerstand (DCR) is ook cruciaal om vermogensverliezen te minimaliseren, vooral voor toepassingen zoals EV's.

Ontwerpers moeten rekening houden met de ruisomgeving en kunnen besluiten om meerlaagse spoelen te combineren met chipbeads voor verbeterde EMI-onderdrukking. Eén meerlagige inductor en twee chipbeads kunnen de eerder genoemde combinatie van vier geleiders vervangen, waardoor het benodigde PCB-oppervlak aanzienlijk kleiner wordt.

Meerlagige inductors voor PoC-toepassingen zijn ontworpen om te voldoen aan strenge automobielstandaarden, zoals AEC-Q200, en bieden superieure EMI-onderdrukking bij hoge frequenties. Ze worden geproduceerd met behulp van geavanceerde processen die schaalbaar zijn voor de productie van grote hoeveelheden auto's.

Inductors uit de MLJ-G serie van TDK

TDK Corporation biedt een breed assortiment inductors voor filtercircuits die zijn ontworpen om te voldoen aan de strenge eisen van PoC-toepassingen in de auto-industrie. De MLJ-G-serie is verkrijgbaar in twee productgroepen die beide een hoge impedantie hebben voor AC-componenten die worden gebruikt in ADAS en opties bieden voor diverse toepassingen. Deze inductors zijn gebouwd volgens specificaties voor de auto-industrie en zijn robuust genoeg om schokken te weerstaan die vaak voorkomen in auto's en ze hebben een lange levensduur.

De nieuwere inductors uit de MLJ1005-G-serie, zoals de MLJ1005WGHR27PTD25 (Afbeelding 2), meten 1,0 mm × 0,5 mm × 0,5 mm. Ze ondersteunen tot 480 mA stroom en bereiken een hoge impedantie bij hoge frequenties met minimale verslechtering om de hogere datatransmissiesnelheden aan te kunnen in automotive PoC-implementaties, zoals camerasystemen die gebruikmaken van SerDes-transmissie.

Afbeelding 2: Representatieve afbeelding van een TDK MLJ-1005-G-serie inductor. (Bron afbeelding: TDK Corporation)

De inductors uit de MLJ1608-G-serie zijn iets groter, 1,6 mm × 0,8 mm × 0,8 mm, en bieden een balans tussen afmeting en prestaties. De MLJ1608WGCR56NTD25, bijvoorbeeld, ondersteunt een stroom tot 500 mA en vertoont een verminderde variatie in impedantie tijdens het aanbrengen van stroom in vergelijking met conventionele meerlagige inductors.

De MLJ1608-G serie bereikt een maximale impedantie van 2.500 Ω en behoudt niveaus boven 1.000 Ω tussen een frequentiebereik van 300 MHz en 2 GHz, waardoor hoogfrequent geluid effectief wordt gefilterd. Ze werken betrouwbaar onder mechanische trillingen en binnen een temperatuurbereik van -55 °C tot 125 °C, waardoor ze voldoen aan de normen van de auto-industrie.

De MLJ-G-productlijnen maken gebruik van ferrietmaterialen met laag verlies die EMI absorberen en verspreiden om minimale energiedissipatie te garanderen, wat cruciaal is voor het behoud van signaalintegriteit in hoogfrequente auto-omgevingen. Met hun lage DC-weerstand minimaliseren ze energieverliezen en zorgen ze voor een efficiënte vermogensafgifte, zelfs in compacte, krachtige auto-ontwerpen.

Chipbeads koppelen aan inductors

Ontwerpers kunnen hun automotive PoC-toepassingen verbeteren door ruisonderdrukkende chipbeads te kiezen die de MLJ-G-serie inductors aanvullen.

De MMZ-serie chipbeads van TDK zijn ontworpen voor zowel signaal- als voedingscircuits. Ze bieden een hoge impedantie over een breed frequentiebereik, waardoor ze geschikt zijn voor het onderdrukken van hoogfrequent geluid. De MPZ-serie is geoptimaliseerd voor automotive power line-toepassingen en biedt een lage DC-weerstand en een hoge stroomverwerkingscapaciteit voor het behoud van de stroomintegriteit in PoC-circuits.

Conclusie

TDK's MLJ-G-serie inductors, samen met de MMZ- en MPZ-serie chipbeads, zijn ontworpen om te voldoen aan de strenge eisen van automotive PoC-toepassingen en zorgen voor een betrouwbare werking en signaalintegriteit terwijl fabrikanten doorgaan met het toevoegen van veiligheids- en infotainmenttoepassingen die vertrouwen op hoogfrequente signalen en een hoge bandbreedte.