ข้อกำหนดสำหรับแผงวงจรพิมพ์ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ (2) ระบบควบคุมยานยนต์

คำอธิบายเมตา: เรียนรู้ข้อกำหนด PCB สำหรับระบบควบคุมยานยนต์ EV รวมถึง VCU, ECU, TCU, ABS/ESC และโมดูลพวงมาลัย สำรวจการออกแบบ PCB ที่สำคัญด้านความปลอดภัย, การปฏิบัติตามมาตรฐาน ISO 26262, บอร์ดหลายชั้น และกลยุทธ์การออกแบบ EMI/EMC

บทนำ

ระบบควบคุมยานยนต์ทำหน้าที่เป็น “สมองและเส้นประสาท” ของยานยนต์ไฟฟ้า (EV) โดยประสานงานการทำงานของการขับขี่และกลไกความปลอดภัย โมดูลที่สำคัญ เช่น หน่วยควบคุมยานยนต์ (VCU), หน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECU สำหรับรุ่นไฮบริด), หน่วยควบคุมเกียร์ (TCU), เบรกจอดรถอิเล็กทรอนิกส์ (EPB), พวงมาลัยพาวเวอร์ไฟฟ้า (EPS) และโมดูลควบคุมเบรก (ABS/ESC) ทำงานร่วมกันเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานราบรื่น การควบคุมที่ตอบสนอง และการปกป้องผู้โดยสาร เนื่องจากลักษณะที่สำคัญด้านความปลอดภัย ความล้มเหลวใดๆ ในระบบเหล่านี้อาจส่งผลกระทบโดยตรงต่อความปลอดภัยของยานยนต์ ทำให้การออกแบบและผลิต PCB สำหรับระบบควบคุมเป็นรากฐานสำคัญของความน่าเชื่อถือของ EV บทความนี้สรุปข้อกำหนด PCB เฉพาะ ความท้าทายในการผลิต และแนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่ในระบบควบคุมยานยนต์ EV

ภาพรวมของระบบควบคุมยานยนต์

ระบบควบคุม EV ประกอบด้วยโมดูลเฉพาะทางหลายโมดูล แต่ละโมดูลมีบทบาทที่แตกต่างกันในการทำงานของยานยนต์:

วัสดุขั้นสูงVCU (หน่วยควบคุมยานยนต์): ทำหน้าที่เป็นผู้ประสานงานกลาง จัดการการทำงานของยานยนต์โดยรวม รวมถึงการกระจายแรงบิด การจัดการพลังงาน และการสลับโหมดระหว่างโหมดการขับขี่

วัสดุขั้นสูงECU (หน่วยควบคุมเครื่องยนต์ สำหรับไฮบริด): ควบคุมการทำงานร่วมกันระหว่างเครื่องยนต์สันดาปภายในและมอเตอร์ไฟฟ้าใน EV แบบไฮบริด ปรับประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและกำลังไฟให้เหมาะสม

วัสดุขั้นสูงTCU (หน่วยควบคุมเกียร์): ปรับแต่งการเปลี่ยนเกียร์ในเกียร์ EV แบบไฮบริดหรือหลายความเร็ว เพื่อให้มั่นใจว่าการส่งกำลังราบรื่นและประหยัดพลังงาน

วัสดุขั้นสูงโมดูล EPS (พวงมาลัยพาวเวอร์ไฟฟ้า): ให้ความช่วยเหลือในการบังคับเลี้ยวที่แม่นยำและไวต่อความเร็ว ช่วยเพิ่มความคล่องตัวและความสะดวกสบายของผู้ขับขี่

วัสดุขั้นสูงABS/ESC (ระบบเบรกป้องกันล้อล็อก/ระบบควบคุมเสถียรภาพการทรงตัวของรถ): ป้องกันการล็อกของล้อขณะเบรกและรักษาเสถียรภาพของรถระหว่างการบังคับเลี้ยวอย่างกะทันหัน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันอุบัติเหตุ

วัสดุขั้นสูงตัวควบคุม EPB (เบรกจอดรถอิเล็กทรอนิกส์): จัดการการเปิดใช้งานและปล่อยเบรกจอดรถ ผสานรวมกับระบบรักษาความปลอดภัยของรถยนต์เพื่อเพิ่มความปลอดภัย

ข้อกำหนดการออกแบบ PCB

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดของการทำงานที่สำคัญด้านความปลอดภัย PCB ของระบบควบคุมยานยนต์ต้องเป็นไปตามเกณฑ์การออกแบบเฉพาะ:

1. ความปลอดภัยในการทำงาน (ISO 26262 ASIL-D)

ความปลอดภัยในการทำงานมีความสำคัญสูงสุด โดยมีการปฏิบัติตามมาตรฐาน ISO 26262 ซึ่งเป็นมาตรฐานสากลสำหรับความปลอดภัยในการทำงานของยานยนต์ กลยุทธ์หลัก ได้แก่:

วัสดุขั้นสูงวงจรซ้ำซ้อน: ทำซ้ำเส้นทางที่สำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานยังคงดำเนินต่อไปแม้ว่าวงจรหนึ่งจะล้มเหลว

วัสดุขั้นสูงการออกแบบ MCU คู่: หน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์แบบขนานให้ระบบป้องกันความผิดพลาด พร้อมกลไกการตรวจสอบข้ามเพื่อตรวจจับความผิดปกติ

วัสดุขั้นสูงเลย์เอาต์ที่ทนต่อความผิดพลาด: ร่องรอยและส่วนประกอบ PCB ถูกจัดเรียงเพื่อลดความเสี่ยงในการล้มเหลวแบบจุดเดียว โดยมีการแยกวงจรที่สำคัญและไม่สำคัญ

2. ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC/EMI)

ระบบควบคุมทำงานในสภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เต็มไปด้วยสัญญาณรบกวนจากมอเตอร์ แบตเตอรี่ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ การลด EMI/EMC เกี่ยวข้องกับ:

วัสดุขั้นสูงความน่าเชื่อถือทางความร้อน: เลเยอร์กราวด์แยกสำหรับสัญญาณดิจิทัล อะนาล็อก และพลังงานช่วยลดการรบกวน

วัสดุขั้นสูงเลเยอร์ป้องกัน: การป้องกันโลหะรอบร่องรอยสัญญาณที่ละเอียดอ่อน ป้องกันการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากการรบกวนการทำงาน

วัสดุขั้นสูงความสมบูรณ์ของสัญญาณที่เข้มงวด: การกำหนดเส้นทางอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมและลดความยาวร่องรอยให้เหลือน้อยที่สุด รักษาคุณภาพสัญญาณในเส้นทางการสื่อสารความเร็วสูง

3. ความทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

โมดูลควบคุมยานยนต์ต้องทนต่อสภาวะที่รุนแรง ซึ่งต้องใช้:

วัสดุขั้นสูงความทนทานต่ออุณหภูมิที่กว้าง: การทำงานตั้งแต่ -40°C ถึง +150°C เพื่อทนต่อสภาพแวดล้อมในช่องเครื่องยนต์และใต้ท้องรถ

วัสดุขั้นสูงความทนทานต่อความชื้นสูง: การป้องกันการควบแน่นและการซึมผ่านของความชื้น ซึ่งมีความสำคัญต่อความน่าเชื่อถือในสภาพอากาศที่หลากหลาย

วัสดุขั้นสูงความทนทานต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน: การเสริมโครงสร้างเพื่อทนต่อการสั่นสะเทือนที่เกิดจากถนนและแรงกระแทก

4. ความน่าเชื่อถือแบบหลายชั้น

ฟังก์ชันการควบคุมที่ซับซ้อนต้องการโครงสร้าง PCB ที่ซับซ้อน:

วัสดุขั้นสูงการวางซ้อน 4–8 ชั้น: การกำหนดค่าเลเยอร์ที่เหมาะสมที่สุดแยกเส้นทางพลังงาน กราวด์ และสัญญาณ ลดการรบกวน

วัสดุขั้นสูงการต่อสายดินเชิงกลยุทธ์: การต่อสายดินแบบดาวและการแบ่งพาร์ติชันระนาบกราวด์ช่วยลดการแพร่กระจายของสัญญาณรบกวนระหว่างส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อน

ตารางที่ 1: สภาพการทำงานทั่วไปสำหรับหน่วยควบคุม

ความท้าทายในการผลิต

การผลิต PCB สำหรับระบบควบคุมยานยนต์เกี่ยวข้องกับอุปสรรคทางเทคนิคที่ไม่เหมือนใคร:

วัสดุขั้นสูงความสมบูรณ์ของสัญญาณเทียบกับการจัดการพลังงาน: การรวมวงจรดิจิทัล (สัญญาณควบคุม), อะนาล็อก (อินพุตเซ็นเซอร์) และพลังงานบน PCB เดียวกันต้องมีการแบ่งพาร์ติชันอย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนระหว่างส่วนประกอบกำลังสูงและแรงดันไฟฟ้าต่ำ

วัสดุขั้นสูงPCB ไฟเบอร์กลาสเสริมแรง: บอร์ดหนา (1.6–2.4 มม.) ที่มีปริมาณใยแก้วสูงจำเป็นต้องทนต่อการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง แต่สิ่งนี้จะเพิ่มความซับซ้อนในการผลิตในการเจาะและการเคลือบ

วัสดุขั้นสูงการนำการออกแบบซ้ำซ้อนไปใช้: วงจรความปลอดภัยแบบสองชั้นและการวางส่วนประกอบแบบขนานต้องการการจัดตำแหน่งที่แม่นยำระหว่างการผลิต โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดเพื่อให้แน่ใจว่าเส้นทางซ้ำซ้อนทั้งสองทำงานเหมือนกัน

ตารางที่ 2: โครงสร้างเลเยอร์ PCB สำหรับโมดูลควบคุมยานยนต์

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยี EV กำลังขับเคลื่อนวิวัฒนาการใน PCB ระบบควบคุม:

• 

วัสดุขั้นสูง: การรวมพลังการประมวลผลที่เพิ่มขึ้น โดยมี PCB รองรับโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงสำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลแบบเรียลไทม์และอัลกอริธึมการควบคุมแบบปรับได้• 

วัสดุขั้นสูง: การรวม ECU/VCU หลายตัวเข้าด้วยกันในบอร์ดประสิทธิภาพสูงน้อยลงช่วยลดความซับซ้อนของสายไฟ ซึ่งต้องใช้ PCB ที่มีจำนวนเลเยอร์สูงขึ้น (10–12 เลเยอร์) และการกำหนดเส้นทางสัญญาณขั้นสูง• 

วัสดุขั้นสูง: การนำลามิเนต Tg สูง (≥180°C) มาใช้ช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อน ในขณะที่สารเคลือบแบบคอนฟอร์มอลช่วยเพิ่มความทนทานต่อความชื้นและสารเคมีในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงตารางที่ 3: ข้อกำหนดด้านความปลอดภัย ISO 26262 เทียบกับกลยุทธ์ PCB

ข้อกำหนด

ระบบควบคุมยานยนต์ต้องการความปลอดภัยและความน่าเชื่อถืออย่างไม่ประนีประนอมจากการออกแบบ PCB โดยมีการปฏิบัติตามมาตรฐาน ISO 26262 เป็นข้อกำหนดพื้นฐาน PCB เหล่านี้ต้องทนต่ออุณหภูมิสูง การสั่นสะเทือน และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณที่แม่นยำ ในขณะที่เทคโนโลยี EV ก้าวหน้า PCB ระบบควบคุมในอนาคตจะมีบูรณาการที่สูงขึ้น ตัวควบคุมโดเมนที่ชาญฉลาดขึ้น และวัสดุขั้นสูง เพื่อให้มั่นใจว่ายังคงเป็นกระดูกสันหลังที่สำคัญของการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้าที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ