I requisiti per i circuiti stampati nei sistemi elettronici automobilistici (3) ADAS e guida autonoma

Introduzione

I sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e le tecnologie di guida autonoma stanno trasformando l'industria automobilistica, consentendo ai veicoli di percepire, analizzare e rispondere al loro ambiente con crescente autonomia. Moduli chiave come il radar a onde millimetriche (24 GHz/77 GHz), LiDAR, sensori a ultrasuoni e sistemi di telecamere formano la rete sensoriale che alimenta funzioni come il cruise control adattivo, l'avviso di superamento della corsia, la frenata automatica di emergenza e il parcheggio automatico. Questi sistemi si basano sulla trasmissione di dati ad alta frequenza e ad alta velocità, rendendo la progettazione di PCB un fattore critico per garantire accuratezza, affidabilità e prestazioni in tempo reale. Questo articolo esamina i requisiti PCB specializzati, le sfide di produzione e le tendenze emergenti nelle applicazioni ADAS e di guida autonoma.

Panoramica del sistema

I sistemi ADAS e di guida autonoma integrano più tecnologie di sensori per creare un quadro completo della consapevolezza ambientale:

• Radar (24 GHz/77 GHz): Funziona a 24 GHz per il rilevamento a corto raggio (ad esempio, assistenza al parcheggio) e a 77 GHz per applicazioni a lungo raggio (ad esempio, cruise control autostradale), rilevando la distanza, la velocità e la direzione degli oggetti.

• LiDAR: Utilizza impulsi laser (lunghezza d'onda 905–1550 nm) per generare nuvole di punti 3D dell'ambiente circostante, consentendo una mappatura precisa di ostacoli e terreno.

• Sensori a ultrasuoni: Forniscono il rilevamento di oggetti a corto raggio (in genere <5 m) per scenari a bassa velocità come il parcheggio, sfruttando le onde sonore per misurare le distanze.

• Telecamere: Acquisiscono dati visivi per il riconoscimento della segnaletica orizzontale, il rilevamento dei segnali stradali e l'identificazione dei pedoni, richiedendo immagini ad alta risoluzione ed elaborazione rapida dei dati.

Requisiti di progettazione PCB

I PCB ADAS e di guida autonoma devono soddisfare esigenze tecniche uniche per supportare il funzionamento dei sensori ad alte prestazioni:

1. Integrità del segnale ad alta frequenza

I sensori ad alta frequenza (ad esempio, radar a 77 GHz) richiedono PCB ottimizzati per una perdita di segnale minima e una trasmissione precisa:

• Materiali a bassa perdita: I laminati come Rogers RO4000, Megtron 6 e Tachyon sono preferiti per la loro bassa costante dielettrica (Dk) e fattore di dissipazione (Df), riducendo al minimo l'attenuazione del segnale alle alte frequenze.

• Controllo stretto dell'impedenza: Mantenere l'impedenza entro una tolleranza di ±5% è fondamentale per i percorsi dati ad alta velocità, garantendo l'integrità del segnale attraverso i ricetrasmettitori radar e i circuiti di controllo LiDAR.

• Instradamento controllato: Percorsi di traccia brevi e diretti con geometria coerente riducono le riflessioni e il crosstalk, essenziali per il radar a 77 GHz e le interfacce delle telecamere multi-gigabit.

2. Miniaturizzazione

I vincoli di spazio nelle posizioni di montaggio dei veicoli (ad esempio, paraurti, specchietti, tetto) guidano la necessità di progetti PCB compatti:

• Stack-up a 6–10 strati: Le strutture multistrato massimizzano la densità dei componenti separando al contempo gli strati di alimentazione, massa e segnale per ridurre le interferenze.

• Componenti a passo fine: L'integrazione di IC e componenti passivi a ingombro ridotto (ad esempio, pacchetti 0402 o più piccoli) consente una maggiore funzionalità in uno spazio limitato.

3. Resistenza ambientale

I sensori montati esternamente o in ambienti veicolari difficili richiedono una robusta protezione PCB:

• Design impermeabile e antipolvere: Rivestimenti conformi e involucri sigillati impediscono l'ingresso di umidità e detriti, fondamentale per il radar sotto il paraurti e le telecamere esterne.

• Resistenza ai raggi UV: I PCB per LiDAR montati sul tetto o telecamere sul parabrezza devono resistere all'esposizione prolungata alla luce solare senza degradazione del materiale.

Tabella 1: Frequenza dei sensori ADAS e requisiti dei materiali PCB

Sfide di produzione

La produzione di PCB per sistemi ADAS implica un'ingegneria di precisione per soddisfare le esigenze di alta frequenza e affidabilità:

• Incisione PCB a microonde: Le antenne radar richiedono un controllo della larghezza della linea ultra-preciso (±0,02 mm) per mantenere i modelli di radiazione e la risposta in frequenza, sfidando i processi di incisione tradizionali.

• Laminazione di materiali misti: I PCB ibridi che combinano FR-4 con substrati in PTFE o ceramica (per LiDAR e radar) richiedono un controllo rigoroso della pressione e della temperatura di laminazione per prevenire la delaminazione e garantire proprietà dielettriche uniformi.

• Instradamento dati ad alta velocità: Interfacce come USB, Ethernet e MIPI D-PHY richiedono una rigorosa corrispondenza di impedenza e instradamento di coppie differenziali, con uno skew minimo per supportare velocità di trasferimento dati multi-gigabit da telecamere e sensori.

Tabella 2: Tolleranze PCB per schede ADAS ad alta frequenza

Tendenze future

Man mano che la guida autonoma avanza verso livelli superiori (L3+), la progettazione PCB si evolverà per supportare esigenze di fusione e calcolo dei sensori più complesse:

• Integrazione con processori AI: GPU ad alte prestazioni e unità di elaborazione neurale (NPU) saranno integrate direttamente sui PCB dei sensori, consentendo l'analisi dei dati in tempo reale e riducendo la latenza nel riconoscimento degli oggetti.

• Moduli di fusione dei sensori: La combinazione di radar, LiDAR e interfacce delle telecamere su un singolo PCB semplificherà l'aggregazione dei dati, richiedendo tecniche avanzate di isolamento e sincronizzazione del segnale.

• Interfacce ad alta velocità: L'adozione di PCIe Gen4/5 e 10G Ethernet consentirà un trasferimento dati più veloce tra sensori e unità di calcolo centrali, richiedendo materiali a bassa perdita e instradamento di coppie differenziali ottimizzato.

Tabella 3: Strato PCB del modulo ADAS

Conclusione

I sistemi ADAS e di guida autonoma pongono esigenze senza precedenti sulla progettazione PCB, richiedendo prestazioni ad alta frequenza, miniaturizzazione e resilienza ambientale. Con i sensori che operano a frequenze e velocità di trasmissione dati sempre più elevate, i materiali PCB, la precisione di produzione e l'ottimizzazione del layout sono diventati fondamentali per la sicurezza e l'autonomia dei veicoli. Man mano che il settore progredisce verso la piena autonomia, i PCB continueranno a evolversi, integrando l'elaborazione AI, la fusione multi-sensore e interfacce ultra-veloci per abilitare la prossima generazione di tecnologie di guida intelligenti.