Требования к печатным платам в автомобильных электронных системах (3) ADAS и автономное вождение

Введение

Передовые системы помощи водителю (ADAS) и технологии автономного вождения преобразуют автомобильную промышленность, позволяя транспортным средствам воспринимать, анализировать и реагировать на окружающую среду с возрастающей степенью автономности. Ключевые модули, такие как миллиметровый радар (24 ГГц/77 ГГц), LiDAR, ультразвуковые датчики и системы камер, формируют сенсорную сеть, которая обеспечивает такие функции, как адаптивный круиз-контроль, предупреждение о выходе из полосы движения, автоматическое экстренное торможение и автоматическая парковка. Эти системы полагаются на высокочастотную, высокоскоростную передачу данных, что делает проектирование печатных плат критическим фактором для обеспечения точности, надежности и производительности в реальном времени. В этой статье рассматриваются специализированные требования к печатным платам, проблемы производства и новые тенденции в приложениях ADAS и автономного вождения.

Обзор системы

Системы ADAS и автономного вождения интегрируют несколько сенсорных технологий для создания комплексной системы осведомленности об окружающей среде:

• Радар (24 ГГц/77 ГГц): Работает на частоте 24 ГГц для обнаружения на малых расстояниях (например, помощь при парковке) и на частоте 77 ГГц для приложений дальнего действия (например, круиз-контроль на автомагистралях), определяя расстояние до объекта, скорость и направление.

• LiDAR: Использует лазерные импульсы (длина волны 905–1550 нм) для создания трехмерных облаков точек окружающей среды, обеспечивая точное отображение препятствий и рельефа местности.

• Ультразвуковые датчики: Обеспечивают обнаружение объектов на малых расстояниях (обычно <5 м) для сценариев с низкой скоростью, таких как парковка, используя звуковые волны для измерения расстояний.

• Камеры: Захватывают визуальные данные для распознавания дорожной разметки, обнаружения дорожных знаков и идентификации пешеходов, требуя обработки изображений высокого разрешения и быстрой обработки данных.

Требования к проектированию печатных плат

Печатные платы ADAS и автономного вождения должны соответствовать уникальным техническим требованиям для поддержки работы высокопроизводительных датчиков:

1. Высокочастотная целостность сигнала

Высокочастотные датчики (например, радар 77 ГГц) требуют печатных плат, оптимизированных для минимальных потерь сигнала и точной передачи:

• Материалы с низкими потерями: Ламинаты, такие как Rogers RO4000, Megtron 6 и Tachyon, предпочтительны из-за их низкой диэлектрической проницаемости (Dk) и коэффициента рассеяния (Df), что минимизирует затухание сигнала на высоких частотах.

• Жесткий контроль импеданса: Поддержание импеданса в пределах допуска ±5% имеет решающее значение для высокоскоростных путей передачи данных, обеспечивая целостность сигнала в радиолокационных приемопередатчиках и схемах управления LiDAR.

• Контролируемая трассировка: Короткие, прямые трассы с согласованной геометрией уменьшают отражения и перекрестные помехи, что необходимо для радаров 77 ГГц и многогигабитных интерфейсов камер.

2. Миниатюризация

Ограничения по пространству в местах установки в транспортном средстве (например, бамперы, зеркала, крыша) обуславливают необходимость компактных конструкций печатных плат:

• 6–10-слойные структуры: Многослойные структуры максимизируют плотность компонентов, разделяя слои питания, заземления и сигналов для уменьшения помех.

• Компоненты с мелким шагом: Интеграция микросхем с небольшим размером и пассивных компонентов (например, корпуса 0402 или меньше) обеспечивает более высокую функциональность в ограниченном пространстве.

3. Устойчивость к воздействию окружающей среды

Датчики, установленные снаружи или в суровых условиях эксплуатации транспортного средства, требуют надежной защиты печатных плат:

• Водонепроницаемая и пыленепроницаемая конструкция: Конформные покрытия и герметичные корпуса предотвращают попадание влаги и мусора, что критично для радаров под бампером и наружных камер.

• Устойчивость к ультрафиолетовому излучению: Печатные платы для LiDAR, установленных на крыше, или камер на лобовом стекле должны выдерживать длительное воздействие солнечного света без ухудшения материала.

Таблица 1: Частота датчиков ADAS и требования к материалам печатных плат

Производственные проблемы

Производство печатных плат для систем ADAS предполагает точное проектирование для удовлетворения высокочастотных требований и требований к надежности:

• Травление микроволновых печатных плат: Антенны радаров требуют сверхточной регулировки ширины линии (±0,02 мм) для поддержания диаграмм направленности и частотной характеристики, что является сложной задачей для традиционных процессов травления.

• Ламинирование смешанных материалов: Гибридные печатные платы, сочетающие FR-4 с подложками из ПТФЭ или керамики (для LiDAR и радаров), требуют жесткого контроля давления и температуры ламинирования, чтобы предотвратить расслоение и обеспечить однородные диэлектрические свойства.

• Высокоскоростная маршрутизация данных: Интерфейсы, такие как USB, Ethernet и MIPI D-PHY, требуют строгого согласования импеданса и маршрутизации дифференциальных пар с минимальным перекосом для поддержки многогигабитных скоростей передачи данных с камер и датчиков.

Таблица 2: Допуски печатных плат для высокочастотных плат ADAS

Будущие тенденции

По мере того, как автономное вождение продвигается к более высоким уровням (L3+), проектирование печатных плат будет развиваться для поддержки более сложных потребностей в слиянии датчиков и вычислениях:

• Интеграция с процессорами ИИ: Высокопроизводительные графические процессоры и блоки нейронной обработки (NPU) будут интегрированы непосредственно в печатные платы датчиков, обеспечивая анализ данных в реальном времени и уменьшая задержку при распознавании объектов.

• Модули слияния датчиков: Объединение интерфейсов радара, LiDAR и камер на одной печатной плате упростит агрегирование данных, требуя передовых методов изоляции и синхронизации сигналов.

• Высокоскоростные интерфейсы: Внедрение PCIe Gen4/5 и 10G Ethernet позволит ускорить передачу данных между датчиками и центральными вычислительными блоками, требуя материалов с низкими потерями и оптимизированной маршрутизации дифференциальных пар.

Таблица 3: Слои печатных плат модуля ADAS

Заключение

Системы ADAS и автономного вождения предъявляют беспрецедентные требования к проектированию печатных плат, требуя высокочастотной производительности, миниатюризации и устойчивости к воздействию окружающей среды. С датчиками, работающими на все более высоких частотах и скоростях передачи данных, материалы печатных плат, точность производства и оптимизация компоновки стали критически важными для безопасности и автономности транспортных средств. По мере того, как отрасль продвигается к полной автономии, печатные платы будут продолжать развиваться, интегрируя обработку ИИ, слияние нескольких датчиков и сверхскоростные интерфейсы, чтобы обеспечить следующее поколение интеллектуальных технологий вождения.