الالزامات مربوط به بردهای مدار چاپی در سیستم‌های الکترونیکی خودرو (2) سیستم‌های کنترل خودرو

توضیحات متا: الزامات PCB را برای سیستم‌های کنترل خودروی برقی (EV)، از جمله VCU، ECU، TCU، ABS/ESC و ماژول‌های فرمان، بیاموزید. طراحی PCB ایمنی-بحرانی، انطباق با ISO 26262، بردهای چند لایه و استراتژی‌های طراحی EMI/EMC را بررسی کنید.

مقدمه

سیستم‌های کنترل خودرو به عنوان «مغز و اعصاب» خودروهای برقی (EV) عمل می‌کنند و هماهنگی عملکردهای رانندگی و مکانیسم‌های ایمنی را تنظیم می‌کنند. ماژول‌های حیاتی مانند واحد کنترل خودرو (VCU)، واحد کنترل موتور (ECU برای مدل‌های هیبریدی)، واحد کنترل انتقال (TCU)، ترمز پارک الکترونیکی (EPB)، فرمان برقی (EPS) و ماژول‌های کنترل ترمز (ABS/ESC) با هم کار می‌کنند تا از عملکرد روان، هندلینگ پاسخگو و محافظت از سرنشین اطمینان حاصل شود. با توجه به ماهیت ایمنی-بحرانی آن‌ها، هرگونه خرابی در این سیستم‌ها می‌تواند مستقیماً ایمنی خودرو را به خطر بیندازد و طراحی و ساخت PCB برای سیستم‌های کنترل را به سنگ بنای قابلیت اطمینان EV تبدیل کند. این مقاله الزامات خاص PCB، چالش‌های تولید و روندهای نوظهور در سیستم‌های کنترل خودروی EV را شرح می‌دهد.

مروری بر سیستم‌های کنترل خودرو

سیستم‌های کنترل EV شامل چندین ماژول تخصصی است که هر کدام نقش‌های متمایزی در عملکرد خودرو دارند:

• VCU (واحد کنترل خودرو): به عنوان هماهنگ‌کننده مرکزی عمل می‌کند و عملیات کلی خودرو از جمله توزیع گشتاور، مدیریت انرژی و تغییر حالت بین حالت‌های رانندگی را مدیریت می‌کند.

• ECU (واحد کنترل موتور، برای هیبریدها): هم‌افزایی بین موتورهای احتراق داخلی و موتورهای الکتریکی را در EVهای هیبریدی تنظیم می‌کند و راندمان سوخت و توان خروجی را بهینه می‌کند.

• TCU (واحد کنترل انتقال): تعویض دنده‌ها را در گیربکس‌های هیبریدی یا چند سرعته EV تنظیم می‌کند و از تحویل روان نیرو و راندمان انرژی اطمینان حاصل می‌کند.

• ماژول EPS (فرمان برقی): کمک فرمان دقیق و حساس به سرعت را فراهم می‌کند و مانورپذیری و راحتی راننده را افزایش می‌دهد.

• ABS/ESC (سیستم ترمز ضد قفل/کنترل پایداری الکترونیکی): قفل شدن چرخ‌ها را در هنگام ترمزگیری متوقف می‌کند و پایداری خودرو را در هنگام مانورهای ناگهانی حفظ می‌کند که برای جلوگیری از تصادف بسیار مهم است.

• کنترل‌کننده EPB (ترمز پارک الکترونیکی): فعال‌سازی و رهاسازی ترمز پارک را مدیریت می‌کند و با سیستم‌های امنیتی خودرو برای افزایش ایمنی ادغام می‌شود.

الزامات طراحی PCB

برای پاسخگویی به نیازهای سخت‌گیرانه عملکرد ایمنی-بحرانی، PCBهای سیستم کنترل خودرو باید از معیارهای طراحی تخصصی پیروی کنند:

1. ایمنی عملکردی (ISO 26262 ASIL-D)

ایمنی عملکردی از اهمیت بالایی برخوردار است و با ISO 26262، استاندارد جهانی برای ایمنی عملکردی خودرو، مطابقت دارد. استراتژی‌های کلیدی عبارتند از:

• مدارهای افزونه: مسیرهای حیاتی را تکرار کنید تا اطمینان حاصل شود که عملکرد حتی در صورت خرابی یک مدار ادامه دارد.

• طراحی MCU دوگانه: واحدهای میکروکنترلر موازی، ایمنی‌های خرابی را فراهم می‌کنند، با مکانیسم‌های متقاطع برای تشخیص ناهنجاری‌ها.

• طرح تحمل خطا: مسیرها و اجزای PCB به گونه‌ای مرتب شده‌اند که خطرات خرابی تک نقطه‌ای را به حداقل برسانند، با جداسازی بین مدارهای حیاتی و غیر حیاتی.

2. سازگاری الکترومغناطیسی (EMC/EMI)

سیستم‌های کنترل در محیط‌های الکترومغناطیسی پر از نویز از موتورها، باتری‌ها و سایر وسایل الکترونیکی کار می‌کنند. کاهش EMC/EMI شامل موارد زیر است:

• صفحات زمین اختصاصی: لایه‌های زمین جداگانه برای سیگنال‌های دیجیتال، آنالوگ و قدرت، تداخل را کاهش می‌دهند.

• لایه‌های محافظ: محافظ فلزی در اطراف مسیرهای سیگنال حساس از تابش الکترومغناطیسی که عملیات را مختل می‌کند، جلوگیری می‌کند.

• یکپارچگی سیگنال دقیق: مسیریابی امپدانس کنترل‌شده و طول مسیرهای به حداقل رسیده، کیفیت سیگنال را در مسیرهای ارتباطی با سرعت بالا حفظ می‌کند.

3. مقاومت در برابر محیط‌های سخت

ماژول‌های کنترل خودرو شرایط سخت را تحمل می‌کنند و نیاز به موارد زیر دارند:

• تحمل دمای گسترده: عملکرد از -40 درجه سانتی‌گراد تا +150 درجه سانتی‌گراد برای مقاومت در برابر محیط‌های محفظه موتور و زیربندی.

• مقاومت در برابر رطوبت بالا: محافظت در برابر تراکم و نفوذ رطوبت، که برای قابلیت اطمینان در آب و هوای مختلف بسیار مهم است.

• مقاومت در برابر ضربه و لرزش: تقویت ساختاری برای زنده ماندن از لرزش‌های ناشی از جاده و بارهای ضربه‌ای.

4. قابلیت اطمینان چند لایه

عملکردهای کنترل پیچیده، ساختارهای PCB پیچیده را می‌طلبد:

• 4–8 لایه انباشته: پیکربندی‌های لایه بهینه شده، مسیرهای قدرت، زمین و سیگنال را جدا می‌کنند و تداخل را کاهش می‌دهند.

• زمین‌سازی استراتژیک: زمین‌سازی ستاره‌ای و پارتیشن‌بندی صفحه زمین، انتشار نویز بین اجزای حساس را به حداقل می‌رساند.

جدول 1: شرایط عملیاتی معمولی برای واحدهای کنترل

چالش‌های تولید

تولید PCB برای سیستم‌های کنترل خودرو شامل موانع فنی منحصربه‌فردی است:

• یکپارچگی سیگنال در مقابل هندلینگ قدرت: ادغام مدارهای دیجیتال (سیگنال‌های کنترل)، آنالوگ (ورودی‌های حسگر) و قدرت در یک PCB واحد، نیاز به پارتیشن‌بندی دقیق دارد تا از تداخل بین اجزای پرقدرت و کم ولتاژ جلوگیری شود.

• مقاومت در برابر لرزش: بردهای ضخیم (1.6–2.4 میلی‌متر) با محتوای فیبر شیشه بالا برای مقاومت در برابر لرزش مداوم ضروری هستند، اما این امر پیچیدگی تولید را در حفاری و لمینیت افزایش می‌دهد.

• پیاده‌سازی طراحی افزونه: مدارهای ایمنی دو لایه و قرارگیری اجزای موازی، نیاز به تراز دقیق در طول ساخت دارد، با تلرانس‌های سخت‌گیرانه برای اطمینان از عملکرد یکسان هر دو مسیر افزونه.

جدول 2: ساختارهای لایه PCB برای ماژول‌های کنترل خودرو

روندهای آینده

پیشرفت‌ها در فناوری EV، تکامل در PCBهای سیستم کنترل را هدایت می‌کند:

• واحدهای کنترل مبتنی بر هوش مصنوعی: افزایش ادغام قدرت محاسباتی، با PCBهایی که از پردازنده‌های با کارایی بالا برای تجزیه و تحلیل داده‌ها در زمان واقعی و الگوریتم‌های کنترل تطبیقی پشتیبانی می‌کنند.

• ادغام کنترل‌کننده دامنه: ادغام چندین ECU/VCU در بردهای کمتری با کارایی بالا، پیچیدگی سیم‌کشی را کاهش می‌دهد و به PCBهایی با تعداد لایه‌های بالاتر (10–12 لایه) و مسیریابی سیگنال پیشرفته نیاز دارد.

• مواد پیشرفته: استفاده از لمینت‌های Tg بالا (≥180 درجه سانتی‌گراد) پایداری حرارتی را بهبود می‌بخشد، در حالی که پوشش‌های منطبق، مقاومت در برابر رطوبت و مواد شیمیایی را در محیط‌های سخت افزایش می‌دهند.

جدول 3: الزامات ایمنی ISO 26262 در مقابل استراتژی‌های PCB

نتیجه‌گیری

سیستم‌های کنترل خودرو، ایمنی و قابلیت اطمینان بی‌نقص را از طراحی PCB می‌طلبند، با انطباق با ISO 26262 که به عنوان یک الزام اساسی عمل می‌کند. این PCBها باید در برابر دماهای شدید، لرزش و تداخل الکترومغناطیسی مقاومت کنند و در عین حال یکپارچگی سیگنال دقیق را حفظ کنند. با پیشرفت فناوری EV، PCBهای سیستم کنترل آینده، ادغام بالاتر، کنترل‌کننده‌های دامنه هوشمندتر و مواد پیشرفته را نشان می‌دهند و اطمینان حاصل می‌کنند که آن‌ها همچنان ستون فقرات حیاتی تحرک ایمن و کارآمد الکتریکی هستند.