الزامات بردهای مدار چاپی در سیستم‌های الکترونیکی خودرو (3) ADAS و رانندگی خودکار

مقدمه

سیستم‌های کمک راننده پیشرفته (ADAS) و فناوری‌های رانندگی خودکار در حال تغییر شکل صنعت خودرو هستند و به وسایل نقلیه این امکان را می‌دهند که محیط اطراف خود را با استقلال فزاینده‌ای درک، تجزیه و تحلیل و به آن پاسخ دهند. ماژول‌های کلیدی مانند رادار موج میلی‌متری (24 گیگاهرتز/77 گیگاهرتز)، لیدار، حسگرهای اولتراسونیک و سیستم‌های دوربین، شبکه حسی را تشکیل می‌دهند که عملکردهایی مانند کروز کنترل تطبیقی، هشدار خروج از خط، ترمز اضطراری خودکار و پارک خودکار را فعال می‌کند. این سیستم‌ها به انتقال داده‌های با فرکانس بالا و سرعت بالا متکی هستند و طراحی PCB را به یک عامل حیاتی در اطمینان از دقت، قابلیت اطمینان و عملکرد بی‌درنگ تبدیل می‌کنند. این مقاله الزامات تخصصی PCB، چالش‌های تولید و روندهای نوظهور در برنامه‌های ADAS و رانندگی خودکار را بررسی می‌کند.

مروری بر سیستم

سیستم‌های ADAS و رانندگی خودکار چندین فناوری حسگر را برای ایجاد یک چارچوب آگاهی محیطی جامع ادغام می‌کنند:

• رادار (24 گیگاهرتز/77 گیگاهرتز): در 24 گیگاهرتز برای تشخیص برد کوتاه (به عنوان مثال، کمک پارک) و 77 گیگاهرتز برای برنامه‌های برد بلند (به عنوان مثال، کروز کنترل بزرگراه) کار می‌کند و فاصله، سرعت و جهت اشیاء را تشخیص می‌دهد.

• لیدار: از پالس‌های لیزر (طول موج 905–1550 نانومتر) برای تولید ابرهای نقطه‌ای سه بعدی از محیط اطراف استفاده می‌کند و امکان نقشه‌برداری دقیق از موانع و زمین را فراهم می‌کند.

• سنسورهای اولتراسونیک: تشخیص اشیاء در برد کوتاه (معمولاً <5 متر) برای سناریوهای کم سرعت مانند پارک، با استفاده از امواج صوتی برای اندازه‌گیری فواصل.

• دوربین‌ها: داده‌های بصری را برای تشخیص خطوط جاده، تشخیص علائم راهنمایی و رانندگی و شناسایی عابر پیاده ثبت می‌کنند و به تصویربرداری با وضوح بالا و پردازش سریع داده‌ها نیاز دارند.

الزامات طراحی PCB

PCBهای ADAS و رانندگی خودکار باید نیازهای فنی منحصربه‌فردی را برای پشتیبانی از عملکرد حسگر با کارایی بالا برطرف کنند:

1. یکپارچگی سیگنال با فرکانس بالا

سنسورهای با فرکانس بالا (به عنوان مثال، رادار 77 گیگاهرتز) به PCBهایی نیاز دارند که برای حداقل تلفات سیگنال و انتقال دقیق بهینه شده‌اند:

• مواد کم‌افت: لمینت‌هایی مانند Rogers RO4000، Megtron 6 و Tachyon به دلیل ثابت دی‌الکتریک کم (Dk) و ضریب اتلاف (Df) خود ترجیح داده می‌شوند و تضعیف سیگنال را در فرکانس‌های بالا به حداقل می‌رسانند.

• کنترل امپدانس دقیق: حفظ امپدانس در محدوده تحمل ±5٪ برای مسیرهای داده با سرعت بالا بسیار مهم است و یکپارچگی سیگنال را در سراسر فرستنده‌های رادار و مدارهای کنترل لیدار تضمین می‌کند.

• مسیردهی کنترل‌شده: مسیرهای ردیابی کوتاه و مستقیم با هندسه ثابت، بازتاب و تداخل متقابل را کاهش می‌دهند که برای رادار 77 گیگاهرتز و رابط‌های دوربین چند گیگابیتی ضروری است.

2. مینیاتوری‌سازی

محدودیت‌های فضایی در مکان‌های نصب خودرو (به عنوان مثال، سپرها، آینه‌ها، سقف) نیاز به طراحی PCB فشرده را ایجاد می‌کند:

• 6–10 لایه چیدمان: ساختارهای چند لایه تراکم اجزا را به حداکثر می‌رسانند در حالی که لایه‌های برق، زمین و سیگنال را برای کاهش تداخل جدا می‌کنند.

• اجزای با گام ریز: ادغام ICهای با ردپای کوچک و اجزای غیرفعال (به عنوان مثال، بسته‌های 0402 یا کوچکتر) عملکرد بالاتری را در فضای محدود امکان‌پذیر می‌کند.

3. مقاومت محیطی

سنسورهایی که در خارج از خودرو یا در محیط‌های سخت خودرو نصب می‌شوند، به محافظت قوی PCB نیاز دارند:

• طراحی ضد آب و ضد گرد و غبار: پوشش‌های منطبق و محفظه‌های مهر و موم شده از ورود رطوبت و زباله‌ها جلوگیری می‌کنند که برای رادار زیر سپر و دوربین‌های بیرونی بسیار مهم است.

• مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش: PCBها برای لیدار نصب شده روی سقف یا دوربین‌های شیشه جلو باید در برابر قرار گرفتن طولانی مدت در معرض نور خورشید بدون تخریب مواد مقاومت کنند.

جدول 1: الزامات فرکانس حسگر ADAS و مواد PCB

چالش‌های تولید

تولید PCB برای سیستم‌های ADAS شامل مهندسی دقیق برای برآورده کردن نیازهای فرکانس بالا و قابلیت اطمینان است:

• حکاکی PCB مایکروویو: آنتن‌های رادار به کنترل عرض خط فوق‌العاده دقیق (±0.02 میلی‌متر) نیاز دارند تا الگوهای تابش و پاسخ فرکانسی را حفظ کنند که فرآیندهای حکاکی سنتی را به چالش می‌کشد.

• لمیناسیون مواد ترکیبی: PCBهای هیبریدی که FR-4 را با زیرلایه‌های PTFE یا سرامیکی (برای لیدار و رادار) ترکیب می‌کنند، به کنترل دقیق فشار و دما در لمیناسیون نیاز دارند تا از جدا شدن لایه‌ها جلوگیری شود و خواص دی‌الکتریک یکنواخت را تضمین کند.

• مسیردهی داده‌های با سرعت بالا: رابط‌هایی مانند USB، اترنت و MIPI D-PHY به تطبیق امپدانس دقیق و مسیردهی جفت دیفرانسیل، با حداقل انحراف برای پشتیبانی از سرعت داده‌های چند گیگابیتی از دوربین‌ها و حسگرها نیاز دارند.

جدول 2: تلرانس‌های PCB برای بردهای ADAS با فرکانس بالا

روندهای آینده

همانطور که رانندگی خودکار به سطوح بالاتر (L3+) پیشرفت می‌کند، طراحی PCB برای پشتیبانی از نیازهای پیچیده‌تر همجوشی حسگر و محاسبات تکامل خواهد یافت:

• ادغام با پردازنده‌های هوش مصنوعی: GPUهای با کارایی بالا و واحدهای پردازش عصبی (NPU) مستقیماً روی PCBهای حسگر ادغام می‌شوند و امکان تجزیه و تحلیل داده‌ها در زمان واقعی و کاهش تأخیر در تشخیص اشیاء را فراهم می‌کنند.

• ماژول‌های همجوشی حسگر: ترکیب رابط‌های رادار، لیدار و دوربین در یک PCB، تجمیع داده‌ها را ساده می‌کند و به تکنیک‌های پیشرفته جداسازی سیگنال و همگام‌سازی نیاز دارد.

• رابط‌های با سرعت بالا: استفاده از PCIe Gen4/5 و 10G اترنت، انتقال داده‌ها را با سرعت بیشتری بین حسگرها و واحدهای محاسباتی مرکزی امکان‌پذیر می‌کند و به مواد کم‌افت و مسیردهی جفت دیفرانسیل بهینه شده نیاز دارد.

جدول 3: لایه PCB ماژول ADAS

نتیجه

سیستم‌های ADAS و رانندگی خودکار خواسته‌های بی‌سابقه‌ای را بر طراحی PCB تحمیل می‌کنند و به عملکرد با فرکانس بالا، مینیاتوری‌سازی و انعطاف‌پذیری محیطی نیاز دارند. با حسگرهایی که در فرکانس‌ها و سرعت داده‌های فزاینده‌ای بالاتر کار می‌کنند، مواد PCB، دقت تولید و بهینه‌سازی طرح‌بندی برای ایمنی و استقلال خودرو حیاتی شده‌اند. با پیشرفت صنعت به سمت استقلال کامل، PCBها به تکامل خود ادامه می‌دهند و پردازش هوش مصنوعی، همجوشی چند حسگری و رابط‌های فوق‌العاده پرسرعت را برای فعال کردن نسل بعدی فناوری‌های رانندگی هوشمند ادغام می‌کنند.