8-2024

Bordbegleiter aller Daten
Steckverbinder in Bordnetz-Architekturen
Komponenten/Stromversorgung
Bild 1: Stufenweise Veränderung der E/E-Architektur
Moderne Bordnetze im Automobil wandeln
sich, insbesondere aufgrund der Anforderungen
durch E-Mobilität, autonomes Fahren und 4K-HD-
Infotainment. Board-to-Board-Steckverbinder
übernehmen mit speziellen Eigenschaften eine
Schlüsselrolle bei der Bewältigung dieses Wandels,
damit hohe Datenübertragungsraten bei
kurzen Latenzzeiten gewährleistet sind.
Bekanntlich ist das Bordnetz eines Fahrzeugs
ein komplexes Netzwerk aus elektrischen Verbindungen,
das alle elektrischen und elektronischen
Komponenten miteinander verknüpft.
Dazu gehören Steuergeräte, Sensoren, Aktuatoren,
Beleuchtungssysteme, Infotainment und
auch Steckverbinder.
Neue Anforderungen
Die heutigen drei großen Trends in der Automobilindustrie
– das automatisierte, das elektrische
und das vernetzte Fahren – benötigen eine
grundlegende Änderung der momentanen elektrisch-elektronischen
(E/E-)Architektur (Bild 1).
Denn die Bordnetzarchitekturen sind im Wandel
von einer klassischen, dezentralen Struktur
bestehend aus bis zu 100 Steuer geräten hin zu
einer Domänen-Architektur, in der Steuer geräte
in Funktionsbereiche zusammengefasst sind.
Jede Domäne hat einen koordinierenden High
Performance Computer (HPC), so dass der
Verdrahtungs- und Installationsaufwand sowie
Kosten und Gewicht reduziert sind. Neu ist die
Zonenarchitektur im Fahrzeug, in der Funktionen
in einem lokalen Zonen-Controller gebündelt
sind, weshalb die Anzahl der Steuergeräte und
sich der Aufwand in der Verkabelung reduziert.
Autor:
Dominik Dotzer
Produktmanager
ept GmbH
www.ept.de
Steckverbinder in der
Systemarchitektur von Bordnetzen
Solche Strukturwandel verändert auch die
Herausforderungen an einen Board-to-Board-
Steckverbinder, der diese Architekturen mitträgt
und umsetzt. Die Aufgabe, nun deutlich größere
Datenströme zu übertragen und diese im noch
leistungsfähigeren Steuergerät zu einem Gesamtbild
zu verarbeiten, verändert die Leistungsfaktoren
des Steckverbinders deutlich.
Übertragungstechnologien
mit hoher Bandbreite
Mit in der Verantwortung einer Datenübertragung
stehen auch die verschiedenen Übertragungstechnologien,
die die Bandbreite gewährleisten
müssen. Dazu zählen …
• LIN (Local Interconnect Network) als sehr günstige
Technologie für nicht-sicherheits relevante
und nicht-zeitkritische Anwendungen wie Türschlösser,
Lichter oder Klima anlage
• CAN (Controller Area Network) als meistgenutzte
Übertragungstechnologie zur Steuerung
des Motors, des Getriebes, des Anlassers
oder für Batteriemanagementsysteme
• FlexRay mit einer verdrillten Doppelleitung zur
Datenübertragung für zeit- und/oder sicherheitskritische
Anwendungen wie Lenkung
oder Bremsen
• MOST (Media Oriented System Transport)
als Glasfaserkabel für Multimedia- und Infotainmentsysteme
• Automotive Single Pair Ethernet (SPE) als
relativ neue Technologie, die aufgrund der
Bandbreiten-Kapazität zunehmend in der
Akzeptanz steigt
• SerDes (Serializer/Deserializer) für hohe Datenübertragungen
ideal für Kameras oder Displays
Automotive Ethernet
Es liegt im Interesse der Automobilindustrie,
möglichst wenig verschiedene Übertragungstechnologien
zu verwenden, um die Komplexität
in der Verdrahtung niedrig zu halten. In diesem
Sinne spielt Automotive Ethernet eine
größere Rolle, wobei auch auf CAN (CAN FD
und CAN XL) sowie LIN und SerDes gesetzt
wird. Zentrale Anforderungen an Board-to-
Board Steckverbinder lassen sich daraus ableiten,
wobei auch die Norm LV214 Aufschlüsse
zu den Eigenschaften offenbart.
Highspeed, EMV-Schutz sowie
Robustheit und Miniaturisierung
Aufgrund der Sensoren-Entwicklung und der
vorgestellten E/E-Architektur tendieren die zu
übertragenden Datenmengen immer mehr zu
Highspeed, die hauptsächlich von der Steuerung
der Impedanz des Steckverbinders abhängt.
Schwankt diese, so kommt es zu Resonanzen,
die wiederum in Verlusten in der Signalübertragung
resultieren. Dabei stellt ein Steckverbinder
aufgrund seiner Geometrie immer ein potentielles
Risiko für Impedanzschwankungen dar,
die unter anderem durch Material- oder Geometrieveränderungen
hervorgerufen werden.
Impedanz und Isolierung
Denn die Impedanz wird von induktiven und
kapazitiven Eigenschaften bestimmt, welche
abhängig von Größe, Anordnung und Design
des Pins sind. Dabei wirken sich vor allem
Querschnittsveränderungen negativ aus, weshalb
diese so weit wie möglich minimiert werden
müssen. Des Weiteren können auch Dielektrika
(elektrisch schwach- oder nichtleitende
Substanzen) in der Nähe des Signalpfads negative
Auswirkungen haben, weshalb die Auswahl
des richtigen Isolierkörpermaterials ebenso wichtig
ist. Darüber hinaus gibt es auch Beeinflussungen
durch Kopplungsverluste, den Verlusten
am Kontaktpunkt von Messer und Feder. Zuletzt
können Impedanzschwankungen durch überstehende
Leitungselemente, die als Antenne wirken,
hervorgerufen werden. All diese Effekte
werden als Insertion Loss (Verhältnis von ausgehendem
zu eingehendem Signal) zusammengefasst,
auch Einfügedämpfung genannt. Ergänzend
dazu gibt es noch den Return Loss (Rückflussdämpfung),
der den Anteil des zurückgeworfenen
am zu übertragenden Signal beschreibt.
PC & Industrie 8/2024 35