Otomotiv Elektronik Sistemlerinde Baskılı Devre Kartları Gereksinimleri (2) Araç Kontrol Sistemleri

Meta Açıklama: VCU, ECU, TCU, ABS/ESC ve direksiyon modülleri dahil olmak üzere EV araç kontrol sistemleri için PCB gereksinimlerini öğrenin. Emniyet açısından kritik PCB tasarımı, ISO 26262 uyumluluğu, çok katmanlı kartlar ve EMI/EMC tasarım stratejilerini keşfedin.

Giriş

Araç kontrol sistemleri, elektrikli araçların (EV'ler) “beyni ve sinirleri” olarak hizmet eder ve sürüş fonksiyonlarının ve güvenlik mekanizmalarının koordinasyonunu yönetir. Araç Kontrol Ünitesi (VCU), Motor Kontrol Ünitesi (hibrit modeller için ECU), Şanzıman Kontrol Ünitesi (TCU), Elektronik Park Freni (EPB), Elektrikli Direksiyon (EPS) ve Fren Kontrol Modülleri (ABS/ESC) gibi kritik modüller, sorunsuz çalışma, duyarlı yol tutuşu ve yolcu korumasını sağlamak için birlikte çalışır. Emniyet açısından kritik doğaları göz önüne alındığında, bu sistemlerdeki herhangi bir arıza doğrudan araç güvenliğini tehlikeye atabilir ve bu da kontrol sistemleri için PCB tasarımını ve üretimini EV güvenilirliğinin temel taşı haline getirir. Bu makale, EV araç kontrol sistemlerindeki özel PCB gereksinimlerini, üretim zorluklarını ve ortaya çıkan eğilimleri özetlemektedir.

Araç Kontrol Sistemlerine Genel Bakış

EV kontrol sistemleri, araç çalışmasında farklı rollere sahip çok sayıda özel modülden oluşur:

• VCU (Araç Kontrol Ünitesi): Tork dağıtımı, enerji yönetimi ve sürüş modları arasında mod değiştirme dahil olmak üzere genel araç operasyonlarını yöneten merkezi koordinatör olarak görev yapar.

• ECU (Motor Kontrol Ünitesi, hibritler için): Hibrit EV'lerde yanmalı motorlar ve elektrik motorları arasındaki sinerjiyi düzenleyerek yakıt verimliliğini ve güç çıkışını optimize eder.

• TCU (Şanzıman Kontrol Ünitesi): Hibrit veya çok hızlı EV şanzımanlarında vites değişimlerini ince ayarlar, sorunsuz güç iletimi ve enerji verimliliği sağlar.

• EPS (Elektrikli Direksiyon) Modülü: Manevra kabiliyetini ve sürücü konforunu artırarak hassas, hıza duyarlı direksiyon yardımı sağlar.

• ABS/ESC (Kilitlenmeyi Önleyici Fren Sistemi/Elektronik Denge Kontrolü): Frenleme sırasında tekerleklerin kilitlenmesini önler ve ani manevralar sırasında araç dengesini korur, kaza önleme için kritiktir.

• EPB (Elektronik Park Freni) Kontrol Cihazı: Park freni aktivasyonunu ve serbest bırakılmasını yönetir, ek güvenlik için araç güvenlik sistemleriyle entegre olur.

PCB Tasarım Gereksinimleri

Emniyet açısından kritik operasyonların katı taleplerini karşılamak için, araç kontrol sistemi PCB'leri özel tasarım kriterlerine uymalıdır:

1. Fonksiyonel Güvenlik (ISO 26262 ASIL-D)

Otomotiv fonksiyonel güvenliği için küresel standart olan ISO 26262'ye uyum ile fonksiyonel güvenlik her şeyden önemlidir. Temel stratejiler şunları içerir:

• Yedekli devreler: Bir devre arızalansa bile çalışmanın devam etmesini sağlamak için kritik yolları çoğaltın.

• Çift MCU tasarımı: Paralel mikrodenetleyici üniteleri, anormallikleri tespit etmek için çapraz kontrol mekanizmaları ile arıza emniyetleri sağlar.

• Arızaya dayanıklı düzen: PCB izleri ve bileşenleri, tek noktalı arıza risklerini en aza indirmek için düzenlenir ve kritik ve kritik olmayan devreler arasında izolasyon sağlanır.

2. Elektromanyetik Uyumluluk (EMC/EMI)

Kontrol sistemleri, motorlardan, bataryalardan ve diğer elektronik cihazlardan gelen gürültüyle dolu elektromanyetik ortamlarda çalışır. EMC/EMI azaltımı şunları içerir:

• Özel toprak düzlemleri: Dijital, analog ve güç sinyalleri için ayrı toprak katmanları, paraziti azaltır.

• Korumalı katmanlar: Hassas sinyal izleri etrafındaki metal koruma, elektromanyetik radyasyonun operasyonları bozmasını engeller.

• Sıkı sinyal bütünlüğü: Kontrollü empedans yönlendirmesi ve en aza indirilmiş iz uzunlukları, yüksek hızlı iletişim yollarında sinyal kalitesini korur.

3. Zorlu Ortam Direnci

Araç kontrol modülleri aşırı koşullara dayanır ve şunları gerektirir:

• Geniş sıcaklık toleransı: Motor bölmesi ve alt takım ortamlarına dayanmak için -40°C ila +150°C arasında çalışma.

• Yüksek nem direnci: Çeşitli iklimlerde güvenilirlik için kritik olan yoğuşma ve nem girişine karşı koruma.

• Şok ve titreşim direnci: Yoldan kaynaklanan titreşimlere ve darbe yüklerine dayanmak için yapısal takviye.

4. Çok Katmanlı Güvenilirlik

Karmaşık kontrol fonksiyonları, gelişmiş PCB yapıları gerektirir:

• 4–8 katmanlı yığınlar: Optimize edilmiş katman konfigürasyonları, çapraz konuşmayı azaltarak güç, toprak ve sinyal yollarını ayırır.

• Stratejik topraklama: Yıldız topraklama ve toprak düzlemi bölümlendirmesi, hassas bileşenler arasındaki gürültü yayılımını en aza indirir.

Tablo 1: Kontrol Üniteleri için Tipik Çalışma Koşulları

Üretim Zorlukları

Araç kontrol sistemleri için PCB üretmek benzersiz teknik engeller içerir:

• Sinyal Bütünlüğü ve Güç Kullanımı: Dijital (kontrol sinyalleri), analog (sensör girişleri) ve güç devrelerini tek bir PCB'ye entegre etmek, yüksek güçlü ve düşük voltajlı bileşenler arasındaki paraziti önlemek için dikkatli bir bölümlendirme gerektirir.

• Titreşim Direnci: Sürekli titreşime dayanmak için yüksek cam elyaf içeriğine sahip kalın kartlar (1,6–2,4 mm) gereklidir, ancak bu, delme ve laminasyonda üretim karmaşıklığını artırır.

• Yedekli Tasarım Uygulaması: Çift katmanlı güvenlik devreleri ve paralel bileşen yerleşimi, her iki yedek yolun aynı şekilde performans göstermesini sağlamak için sıkı toleranslarla, imalat sırasında hassas hizalama gerektirir.

Tablo 2: Araç Kontrol Modülleri için PCB Katman Yapıları

Gelecek Trendleri

EV teknolojisindeki gelişmeler, kontrol sistemi PCB'lerinde evrimi yönlendiriyor:

• Yapay Zeka Destekli Kontrol Üniteleri: Gerçek zamanlı veri analizi ve uyarlanabilir kontrol algoritmaları için yüksek performanslı işlemcileri destekleyen PCB'lerle artan bilgi işlem gücü entegrasyonu.

• Alan Kontrol Cihazı Entegrasyonu: Daha az sayıda yüksek performanslı karta birden fazla ECU/VCU'nun konsolidasyonu, kablolama karmaşıklığını azaltır, daha yüksek katman sayısına (10–12 katman) ve gelişmiş sinyal yönlendirmesine sahip PCB'ler gerektirir.

• Gelişmiş Malzemeler: Yüksek Tg laminatların (≥180°C) benimsenmesi, termal kararlılığı artırırken, konformal kaplamalar zorlu ortamlarda nem ve kimyasal direncini artırır.

Tablo 3: ISO 26262 Güvenlik Gereksinimleri ve PCB Stratejileri

Sonuç

Araç kontrol sistemleri, PCB tasarımından tavizsiz güvenlik ve güvenilirlik talep eder ve ISO 26262 uyumluluğu temel bir gereksinim olarak hizmet eder. Bu PCB'ler, hassas sinyal bütünlüğünü korurken aşırı sıcaklıklara, titreşime ve elektromanyetik parazite dayanmalıdır. EV teknolojisi ilerledikçe, gelecekteki kontrol sistemi PCB'leri daha yüksek entegrasyon, daha akıllı alan kontrol cihazları ve gelişmiş malzemeler içerecek ve güvenli ve verimli elektrikli mobilite için kritik omurga olarak kalmalarını sağlayacaktır.