高性能的车辆技术需要新的电气设计策略和先进的连接器来应对新的挑战。

随着运输行业将高性能的车辆技术集成到所有类型的车辆中，并向电动汽车过渡，传统的分散式电气系统架构正在达到其极限。先进的信息娱乐、安全系统、自动驾驶，以及车辆到基础设施的通信网络等技术，所需的复杂性和高速特性需要新的设计策略和新的连接器来应对这些挑战。

车辆电气系统：分散化、领域和区域架构

传统的分散式车辆架构由多达100个控制单元组成，每个控制单元都分配了一个定义的功能，如控制发动机控制单元（ECU）、安全气囊、ABS/ESP、座椅调节系统或气候控制等。控制单元通过网关与其他控制单元进行通信。随着车辆功能的增加或改进，每个新的功能都增加了一个控制单元。近年来，从货车到公交车等，所有汽车类型都发生了巨大的变化，功能的加强显著增加了每辆车的布线和互连解决方案。

体系结构中的控制单元区分为不同的功能区域，每个功能模块负责控制车辆的特定区域，如动力传动系统、信息娱乐系统或安全功能等。一个独立的高性能计算机（HPC）执行对域的主控制，并协调其域内的控制单元。例如，负责监督驾驶员辅助系统、ABS/ESP和转向系统的控制单元。域架构减少了控制单元的数量，与传统的分散式架构相比，减少了所需的布线和安装工作，有效地降低了重量和成本。附加的功能可以很容易地集成到升级或新的设计中。

在区域体系结构中，结构化不是基于大的范围，而是基于体系本身的区域。例如，多个功能集成在车辆内的一个区域中。诸如动力传动系统和信息娱乐等功能可以在一个区域控制器中进行组合和处理。中央HPC执行对各种区域单元的主控制，将控制单元的数量和随之而来的线路数量减少了50%。

图1：汽车高性能电气系统体系结构的示意图。图片来自：ept GmbH

较高的可靠性和性能要求

HPC及其相应的互连解决方案必须满足最高的性能要求。例如，在自动驾驶的安全系统中处理成像和传感器数据需要安全的高速数据传输速率和较短的延迟传输时间。同时，连接器信号传输在任何情况下都不能失败。这些系统中的连接器需要高性能、快速要求，最重要的是可靠的数据传输，即使有时是在不利的环境条件下。

图2：眼图用于评估数字数据传输速率的信号质量。图片来自： ept GmbH（Colibri）

在图表中间看到所谓的“眼罩”。在这个区域不能清楚地分配信号。

使用16+ Gb/s和10 Gb/s的ept Colibri插头连接器，两个眼图分别说明了电缆长度和阻抗的影响。这个例子说明了如何通过进一步发展连接器接触设计来显著提高信号的完整性。通过使用更短的电缆长度和100 Ω的阻抗，16+ Gb/s变体的眼图能够比之前的10 Gb/s变体更清晰，说明信号对质量更好。

图3：Colibri优化的连接器接触设计能够实现低损耗的高速数据传输速率。图片来自： ept GmbH（Colibri）

高速连接器信号传输需要特殊的保护，因为它们特别容易受到电磁波的影响。在这种情况下，连接器既可以作为干扰源，也可以作为接收器。屏蔽将保护敏感连接器信号传输免受外部影响。

图4、5：使用屏蔽（上）和非屏蔽（下）接头时的连接器信号干扰图，图片来自：ept GmbH (Colibri)

以耦合电感LK为EMC参数，可以通过考虑源极和汇极两种功能的电条件来描述该连接器。henry (H）用于表示这个值。如果已知感应电压（Uind）、发电机电压（UGen）和发电机常数（kGen），则可以使用以下公式确定应用的具体最大允许耦合电感（L)：

LK=Uind/(UGenxkGen)

耦合电感还有助于用户根据其电磁兼容性来定义适当的连接器。比如：在HDMI信号的4.4kV电压下，确定了一种特定情况的最大耦合电感为47皮亨利（pH）。如果值高于此值，则连接器信号传输受到影响。

图6：非屏蔽（左）和屏蔽（右）的连接器。图片来自：eptGmbH

电磁影响危及高速连接器信号传输。在高性能的车辆应用中，连接器处于极端环境条件下，如振动和冲击。连接器必须特别坚固，确保连接器信号传输即使在恶劣环境中也保持不间断。在这种情况下，主要是连接器接触设计、连接器接触系统和连接器终止技术起决定性作用。

恶劣环境连接器设计的可靠性

传统连接器通过公端连接器和母端连接器配合连接。然而，在发生强烈冲击时，公端连接器可能脱离母端连接器。为了防止这种连接器接触中断，可以使用双面母连接器提供冗余，从而提供连接器接触可靠性。

双侧接触的母端连接器

“中性”连接器甚至更加强大。这里的特殊特点是相同的接触几何形状。因此，两者都有一个母端连接器和公端连接器接触方式。因此，每个针都由两个母端连接器触点接触，插头和插座互锁，不能相互脱落。在机械负载下，双面母端连接器始终确保至少有一个连接器接触点，而中性接触系统中的联锁几何图形确保连接器信号传输始终通过两个接触点运行。这种高度的冗余使得连接器接触可靠性最大。

图7：Zero8连接器的横截面显示了中性接触系统。

为了实现PCB和连接器之间的持久连接，我们建议使用表面安装技术（SMT）作为终端技术。焊膏用于将连接器焊接到PCB指定的连接表面：焊料垫。焊料首先被熔化，然后在回流炉中硬化。SMT在连接器和PCB之间进行稳定连接。然而，为了实现这一点，必须满足一些标准。首先，必须保持焊料脚、焊料垫和焊料膏的正确比例，符合IPC A-610。这是根据IPC第3级要求实现高质量连接的唯一方法，这意味着它适用于高性能汽车电子产品。（图7）

图8：焊料脚周围半月板的均匀形成

连接器接触脚必须是共面的，实现良好的连接。这种共平面性要经过一个全自动的过程中检查。

由于控制单元数量的减少，连接器在高性能车辆系统中的作用似乎正在逐渐消失。然而，仔细观察就会发现，它们的作用变得越来越重要，因为这种通过HPC集中数据处理的转变。连接器信号传输的可靠性更重要。