ข้อกำหนดสำหรับแผงวงจรพิมพ์ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ (3) ADAS & การขับขี่อัตโนมัติ

บทนำ

ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) และเทคโนโลยีการขับขี่อัตโนมัติกำลังปรับเปลี่ยนอุตสาหกรรมยานยนต์ ทำให้ยานพาหนะสามารถรับรู้ วิเคราะห์ และตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมได้ด้วยความเป็นอิสระที่เพิ่มขึ้น โมดูลหลัก เช่น เรดาร์คลื่นมิลลิเมตร (24GHz/77GHz), LiDAR, เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก และระบบกล้อง สร้างเครือข่ายเซ็นเซอร์ที่ขับเคลื่อนฟังก์ชันต่างๆ เช่น ระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติแบบปรับได้, การเตือนการออกนอกเลน, ระบบเบรกฉุกเฉินอัตโนมัติ และระบบจอดรถอัตโนมัติ ระบบเหล่านี้อาศัยการส่งข้อมูลความถี่สูงและความเร็วสูง ทำให้การออกแบบ PCB เป็นปัจจัยสำคัญในการรับประกันความถูกต้อง ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ บทความนี้จะตรวจสอบข้อกำหนด PCB เฉพาะ ความท้าทายในการผลิต และแนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่ใน ADAS และแอปพลิเคชันการขับขี่อัตโนมัติ

ภาพรวมของระบบ

ระบบ ADAS และการขับขี่อัตโนมัติผสานรวมเทคโนโลยีเซ็นเซอร์หลายตัวเพื่อสร้างกรอบการรับรู้สภาพแวดล้อมที่ครอบคลุม:

• เรดาร์ (24GHz/77GHz): ทำงานที่ 24GHz สำหรับการตรวจจับระยะใกล้ (เช่น การช่วยเหลือการจอดรถ) และ 77GHz สำหรับการใช้งานระยะไกล (เช่น ระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติบนทางหลวง) ตรวจจับระยะทาง ความเร็ว และทิศทางของวัตถุ

• LiDAR: ใช้พัลส์เลเซอร์ (ความยาวคลื่น 905–1550nm) เพื่อสร้างกลุ่มจุด 3 มิติของสภาพแวดล้อมโดยรอบ ทำให้สามารถทำแผนที่สิ่งกีดขวางและภูมิประเทศได้อย่างแม่นยำ

• เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก: ให้การตรวจจับวัตถุระยะใกล้ (โดยทั่วไป <5m) สำหรับสถานการณ์ความเร็วต่ำ เช่น การจอดรถ โดยใช้คลื่นเสียงในการวัดระยะทาง

• กล้อง: จับภาพข้อมูลภาพสำหรับการจดจำเครื่องหมายเลน การตรวจจับป้ายจราจร และการระบุคนเดินเท้า ซึ่งต้องใช้การถ่ายภาพความละเอียดสูงและการประมวลผลข้อมูลอย่างรวดเร็ว

ข้อกำหนดการออกแบบ PCB

PCB สำหรับ ADAS และการขับขี่อัตโนมัติต้องตอบสนองความต้องการทางเทคนิคที่ไม่เหมือนใครเพื่อรองรับการทำงานของเซ็นเซอร์ประสิทธิภาพสูง:

1. ความสมบูรณ์ของสัญญาณความถี่สูง

เซ็นเซอร์ความถี่สูง (เช่น เรดาร์ 77GHz) ต้องใช้ PCB ที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการสูญเสียสัญญาณน้อยที่สุดและการส่งสัญญาณที่แม่นยำ:

• วัสดุสูญเสียน้อย: แผ่นลามิเนต เช่น Rogers RO4000, Megtron 6 และ Tachyon เป็นที่ต้องการเนื่องจากค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ (Dk) และแฟกเตอร์การกระจาย (Df) ซึ่งช่วยลดทอนสัญญาณที่ความถี่สูง

• การควบคุมอิมพีแดนซ์ที่เข้มงวด: การรักษาอิมพีแดนซ์ภายในความคลาดเคลื่อน ±5% เป็นสิ่งสำคัญสำหรับเส้นทางข้อมูลความเร็วสูง เพื่อให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของสัญญาณในตัวรับส่งสัญญาณเรดาร์และวงจรควบคุม LiDAR

• การกำหนดเส้นทางที่ควบคุม: เส้นทางร่องรอยสั้นๆ โดยตรงที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่สอดคล้องกันช่วยลดการสะท้อนและการครอสทอล์ก ซึ่งจำเป็นสำหรับเรดาร์ 77GHz และอินเทอร์เฟซกล้องหลายกิกะบิต

2. การย่อขนาด

ข้อจำกัดด้านพื้นที่ในตำแหน่งการติดตั้งยานพาหนะ (เช่น กันชน กระจกมองข้าง หลังคา) ขับเคลื่อนความต้องการการออกแบบ PCB ที่กะทัดรัด:

• โครงสร้างแบบหลายชั้น 6–10 ชั้น: โครงสร้างหลายชั้นช่วยเพิ่มความหนาแน่นของส่วนประกอบสูงสุด ในขณะที่แยกชั้นพลังงาน พื้นดิน และสัญญาณเพื่อลดการรบกวน

• ส่วนประกอบระยะพิทช์ละเอียด: การรวม IC และส่วนประกอบพาสซีฟขนาดเล็ก (เช่น แพ็คเกจ 0402 หรือเล็กกว่า) ช่วยให้มีฟังก์ชันการทำงานที่สูงขึ้นในพื้นที่จำกัด

3. ความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม

เซ็นเซอร์ที่ติดตั้งภายนอกหรือในสภาพแวดล้อมยานพาหนะที่รุนแรงต้องมีการป้องกัน PCB ที่แข็งแกร่ง:

• การออกแบบกันน้ำและกันฝุ่น: การเคลือบแบบคอนฟอร์มัลและการหุ้มที่ปิดสนิทป้องกันความชื้นและเศษขยะเข้า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเรดาร์ใต้กันชนและกล้องภายนอก

• ความทนทานต่อรังสียูวี: PCB สำหรับ LiDAR ที่ติดตั้งบนหลังคาหรือกล้องติดกระจกหน้ารถต้องทนต่อการสัมผัสแสงแดดเป็นเวลานานโดยไม่ทำให้วัสดุเสื่อมสภาพ

ตารางที่ 1: ข้อกำหนดด้านความถี่ของเซ็นเซอร์ ADAS และวัสดุ PCB

ความท้าทายในการผลิต

การผลิต PCB สำหรับระบบ ADAS เกี่ยวข้องกับวิศวกรรมที่มีความแม่นยำเพื่อตอบสนองความต้องการด้านความถี่สูงและความน่าเชื่อถือ:

• การกัด PCB ไมโครเวฟ: เสาอากาศเรดาร์ต้องใช้การควบคุมความกว้างของเส้นที่แม่นยำเป็นพิเศษ (±0.02 มม.) เพื่อรักษาลวดลายการแผ่รังสีและการตอบสนองความถี่ ซึ่งเป็นความท้าทายสำหรับกระบวนการกัดแบบดั้งเดิม

• การเคลือบวัสดุผสม: PCB แบบไฮบริดที่รวม FR-4 กับสารตั้งต้น PTFE หรือเซรามิก (สำหรับ LiDAR และเรดาร์) ต้องควบคุมแรงดันและการเคลือบอุณหภูมิอย่างเข้มงวดเพื่อป้องกันการหลุดลอกและรับประกันคุณสมบัติไดอิเล็กทริกที่สม่ำเสมอ

• การกำหนดเส้นทางข้อมูลความเร็วสูง: อินเทอร์เฟซ เช่น USB, Ethernet และ MIPI D-PHY ต้องการการจับคู่อิมพีแดนซ์ที่เข้มงวดและการกำหนดเส้นทางคู่ต่างสัญญาณ โดยมีการบิดเบือนน้อยที่สุดเพื่อรองรับอัตราข้อมูลหลายกิกะบิตจากกล้องและเซ็นเซอร์

ตารางที่ 2: ความคลาดเคลื่อน PCB สำหรับบอร์ด ADAS ความถี่สูง

แนวโน้มในอนาคต

เมื่อการขับขี่อัตโนมัติก้าวไปสู่ระดับที่สูงขึ้น (L3+) การออกแบบ PCB จะพัฒนาเพื่อรองรับการหลอมรวมเซ็นเซอร์ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นและความต้องการด้านการคำนวณ:

• การรวมเข้ากับโปรเซสเซอร์ AI: GPU ประสิทธิภาพสูงและหน่วยประมวลผลประสาท (NPU) จะถูกรวมเข้ากับ PCB เซ็นเซอร์โดยตรง ทำให้สามารถวิเคราะห์ข้อมูลแบบเรียลไทม์และลดเวลาแฝงในการจดจำวัตถุ

• โมดูลฟิวชั่นเซ็นเซอร์: การรวมอินเทอร์เฟซเรดาร์, LiDAR และกล้องเข้ากับ PCB เดียวจะช่วยปรับปรุงการรวมข้อมูล ซึ่งต้องใช้เทคนิคการแยกสัญญาณและการซิงโครไนซ์ขั้นสูง

• อินเทอร์เฟซความเร็วสูง: การนำ PCIe Gen4/5 และ 10G Ethernet มาใช้จะช่วยให้การถ่ายโอนข้อมูลระหว่างเซ็นเซอร์และหน่วยประมวลผลกลางเร็วขึ้น ซึ่งต้องใช้วัสดุสูญเสียน้อยและการกำหนดเส้นทางคู่ต่างสัญญาณที่เหมาะสม

ตารางที่ 3: เลเยอร์ PCB โมดูล ADAS

บทสรุป

ระบบ ADAS และการขับขี่อัตโนมัติตั้งความต้องการที่ไม่เคยมีมาก่อนในการออกแบบ PCB ซึ่งต้องใช้ประสิทธิภาพความถี่สูง การย่อขนาด และความยืดหยุ่นต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยเซ็นเซอร์ที่ทำงานที่ความถี่และอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นเรื่อยๆ วัสดุ PCB ความแม่นยำในการผลิต และการปรับปรุงเลย์เอาต์จึงมีความสำคัญต่อความปลอดภัยและการขับขี่อัตโนมัติของยานพาหนะ เมื่ออุตสาหกรรมก้าวหน้าไปสู่การขับขี่อัตโนมัติเต็มรูปแบบ PCB จะยังคงพัฒนาต่อไป โดยผสานรวมการประมวลผล AI การหลอมรวมหลายเซ็นเซอร์ และอินเทอร์เฟซความเร็วสูงพิเศษ เพื่อเปิดใช้งานเทคโนโลยีการขับขี่อัจฉริยะรุ่นต่อไป