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Évolution de la technologie automobile : SDV et interfaces haut débit

Connecteurs carte à carte dans les architectures de réseaux de bord automobiles

Données relatives au personnel de bord

Les réseaux embarqués modernes dans l'automobile sont en pleine mutation, notamment en raison des exigences liées à la mobilité électrique, à la conduite autonome et à l'infodivertissement 4K HD. Grâce à leurs caractéristiques spécifiques, les connecteurs carte à carte jouent un rôle clé dans cette transition, afin de garantir des débits de transmission de données élevés avec des temps de latence réduits. 
Comme on le sait, le réseau de bord d'un véhicule est un réseau complexe de connexions électriques qui relie entre eux tous les composants électriques et électroniques. Cela comprend les calculateurs, les capteurs, les actionneurs, les systèmes d'éclairage, les systèmes d'infodivertissement ainsi que les connecteurs.

Les trois grandes tendances actuelles de l'industrie automobile – la conduite automatisée, électrique et connectée – nécessitent une refonte en profondeur de l'architecture électrique et électronique (E/E) actuelle. En effet, les architectures de réseaux de bord évoluent d’une structure classique et décentralisée, composée de jusqu’à 100 calculateurs, vers une architecture par domaines, dans laquelle les calculateurs sont regroupés par domaines fonctionnels. Chaque domaine dispose d’un ordinateur haute performance (HPC) chargé de la coordination, ce qui permet de réduire les efforts de câblage et d’installation, ainsi que les coûts et le poids. Une nouveauté est l'architecture par zones dans le véhicule, dans laquelle les fonctions sont regroupées dans un contrôleur de zone local, ce qui réduit le nombre de calculateurs et les efforts de câblage.

architecture décentralisée classique
Architecture de domaine
Architecture par zones

Connecteurs dans l'architecture des réseaux de bord

Ces évolutions structurelles modifient également les exigences auxquelles doit répondre un connecteur carte à carte, qui soutient et met en œuvre ces architectures. La nécessité de transmettre des flux de données nettement plus importants et de les traiter dans un calculateur encore plus performant pour obtenir une vue d'ensemble modifie considérablement les facteurs de performance du connecteur. La

transmission des données repose également sur les différentes technologies de transmission qui doivent garantir la bande passante. Parmi celles-ci, on peut citer :
  • Le LIN (Local Interconnect Network) est une technologie très économique destinée aux applications non critiques en matière de sécurité et non sensibles au temps, telles que les serrures de porte, l'éclairage ou la climatisation.
  • Le CAN (Controller Area Network) : technologie de transmission la plus utilisée pour la commande du moteur, de la boîte de vitesses, du démarreur ou pour les systèmes de gestion de batterie
  • FlexRay avec une paire torsadée pour la transmission de données dans les applications critiques en termes de temps et/ou de sécurité, telles que la direction ou les freins
  • MOST (Media Oriented System Transport) sous forme de câble à fibre optique pour les systèmes multimédia et d'infodivertissement
  • Automotive Single Pair Ethernet (SPE) en tant que technologie relativement nouvelle qui gagne en popularité grâce à sa capacité
  • de bande passante SerDes (Serializer/Deserializer) pour les transferts de données à haut débit, idéal pour les caméras ou les écrans
Il est dans l'intérêt de l'industrie automobile d'utiliser le moins de technologies de transmission différentes possible afin de limiter la complexité du câblage. Dans cette optique, l'Ethernet automobile joue un rôle prépondérant, mais on mise également sur les protocoles CAN (CAN FD et CAN XL), LIN et SerDes. On peut en déduire les exigences essentielles relatives aux connecteurs carte à carte, la norme LV214 fournissant également des indications sur leurs caractéristiques. 

Haute vitesse, protection CEM, robustesse et miniaturisation

Bild EMV mit und ohne Schirmung
Comparaison entre un connecteur blindé (à gauche) et un connecteur non blindé (à droite)
En raison des progrès réalisés dans le domaine des capteurs et de l'architecture E/E présentée, les volumes de données à transmettre tendent de plus en plus vers des débits élevés, qui dépendent principalement du contrôle de l'impédance du connecteur. Si celle-ci varie, il en résulte des résonances qui entraînent à leur tour des pertes dans la transmission du signal. En raison de sa géométrie, un connecteur représente toujours un risque potentiel de variations d’impédance, provoquées notamment par des modifications des matériaux ou de la géométrie. L’impédance

est en effet déterminée par des propriétés inductives et capacitives qui dépendent de la taille, de la disposition et de la conception des broches. Les variations de section ont notamment un impact négatif, c'est pourquoi elles doivent être minimisées autant que possible. De plus, les diélectriques (substances faiblement conductrices ou non conductrices) à proximité du chemin du signal peuvent également avoir des effets négatifs, ce qui rend tout aussi importante le choix du matériau isolant approprié. S'y ajoutent les pertes de couplage, c'est-à-dire les pertes au point de contact entre la lame et le ressort. Enfin, des variations d'impédance peuvent être provoquées par des éléments conducteurs saillants qui agissent comme des antennes. Tous ces effets sont regroupés sous le terme d'« insertion loss » (rapport entre le signal sortant et le signal entrant), également appelé atténuation d'insertion. À cela s'ajoute la perte de retour (Return Loss), qui décrit la proportion du signal renvoyé par rapport au signal à transmettre.Compte tenu de la miniaturisation croissante des modules, la protection CEM revêt une importance particulière : en effet, les signaux à haute fréquence qui y sont générés sont particulièrement sensibles aux perturbations causées par des effets électromagnétiques indésirables. Même les plus petites perturbations suffisent à fausser considérablement la transmission des données, à générer des signaux de mesure incorrects au niveau des capteurs et à produire des commandes de contrôle inappropriées – un scénario absolument inacceptable en matière de sécurité.
Un connecteur blindé s’avère indispensable, car, au sein d’un module, un connecteur agit toujours à la fois comme puits de perturbation et comme source de perturbation. De plus, le composant peut être perturbé par d’autres éléments et exercer lui-même une influence électromagnétique sur les composants environnants. Un blindage réduit ici ces deux effets d’un facteur 100 à 200 environ. 
Doppelseitiger Federkontakt
contact à ressort double face
En matière de robustesse : les chocs et les vibrations compromettent la stabilité de la transmission des données, tout comme les influences chimiques et thermiques de l'environnement dues à des températures extrêmes, de fortes variations de température, des gaz nocifs, l'humidité et la saleté. La surface de contact détermine en grande partie la durée de vie du connecteur, car en fonctionnement, des micro-mouvements se produisent entre les deux parties du connecteur, ce qui, à long terme, entraîne une abrasion de la surface et donc une résistance de contact accrue, et par conséquent une transmission du signal moins efficace. Un revêtement de contact de haute qualité et durable contribue à réduire cette abrasion de surface au minimum.
En ce qui concerne le système de contact, un connecteur à barrettes à ressort double face fait ses preuves, car il garantit à tout moment un point de contact, indépendamment des influences extérieures. Le système de contact « unisexe » offre encore plus de robustesse, car les contacts s’entrelacent lors de l’enfichage, assurant ainsi une sécurité de contact maximale.
Les connecteurs monoblocs ne comportent pas de zone de contact vulnérable, ce qui leur confère une résistance maximale aux influences extérieures. Le raccordement s’effectue par la technique d’insertion à froid, dans laquelle une broche est enfoncée dans un trou métallisé de la carte de circuit imprimé, ce qui entraîne une soudure à froid entre la douille en cuivre et la zone d’insertion. Il en résulte une connexion étanche aux gaz et moulable avec la carte de circuit imprimé, qui offre un taux de défaillance dix fois inférieur à celui des connecteurs soudés automatiquement. 

Groessenvergleich
Une ancienne fiche DIN de la série D au pas de 5,08 mm et, en dessous, la nouvelle Zero8 au pas de 0,8 mm
L'espace de montage limité dans les véhicules automobiles impose des contraintes d'encombrement aux capteurs et aux calculateurs, ce qui oblige les connecteurs à réduire encore davantage leurs dimensions tout en conservant, voire en augmentant, leurs performances. La technologie de montage en surface (SMT) est idéale dans ce contexte, car, contrairement à la technique d'insertion en force, elle permet un pas nettement plus petit ainsi qu'un montage double face du circuit imprimé. 

La tendance à intégrer de plus en plus de connecteurs, toujours plus petits, dans les modules a pour conséquence d'allonger les chaînes de tolérance et oblige les connecteurs à compenser des tolérances de plus en plus importantes, tant lors du montage qu'en fonctionnement. Il existe déjà des connecteurs capables d'absorber encore mieux les chocs et les vibrations. 

Trois gammes de produits adaptées proposées par ept

Zero8 Board to Board Connector
Les produits zero8 offrent une évolutivité maximale grâce à des formats, des hauteurs d'empilement et des nombres de pôles personnalisables, permettant des espacements entre circuits imprimés de 6 à 21 mm et des nombres de pôles variables de 12 à 80. Les connecteurs sont compatibles entre eux et peuvent être combinés librement, avec un blindage unilatéral ou bilatéral. La technologie de connexion robuste ScaleX garantit une connexion fiable en cas de chocs et de vibrations, compense les tolérances et offre une protection CEM pour un débit de transmission de données de 16 Gbit/s.

Détails sur la gamme Zero8
ept Colibri Polzahlen 40 220 rgb
Les produits Colibri® sont des connecteurs SMT blindés à deux rangées, au pas de 0,5 mm, compatibles avec les normes PICMG COM Express®, SFF-SIG CoreExpress® et nano-ETXexpress. Les prises pour modules COM offrent 196 broches de signal et 24 broches de masse, tandis que les fiches pour cartes porteuses sont disponibles en option avec des ergots de guidage, un blindage et une fixation CMS. Le système COM Express Colibri® assure une excellente intégrité du signal pour plus de 25 Gbit/s, ce qui le rend idéal pour les applications à haut débit dans des espaces restreints.

Détails sur le Colibri®
One27 UEbersicht
La troisième gamme de produits One27 propose des connecteurs de circuits imprimés robustes et compacts en montage SMT, avec un pas de 1,27 mm. Ils prennent en charge des espacements entre circuits imprimés de 8 à 20 mm et sont disponibles avec 12 à 80 contacts, ainsi que sous forme d'assemblages de câbles. Des connexions parallèles et à angle droit sont possibles ; elles sont particulièrement robustes et faciles à mettre en œuvre, tout en garantissant une connexion fiable et une grande flexibilité dans la disposition des circuits imprimés.

Détails sur la gamme One27


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Si l'on se tourne vers l'avenir, la conduite autonome sera étroitement liée au développement des technologies de transfert de données et de communication. Des aspects clés tels que la connectivité 5G, la cybersécurité, la communication V2X, ainsi que l’edge computing et la technologie blockchain exerceront une influence déterminante sur la transmission des données ; toutefois la coexistence des réseaux embarqués et des connecteurs demeurera une certitude, permettant un jour de concrétiser la vision d’une voiture sans volant. 

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