De eisen voor printplaten in elektronische systemen voor de auto (6) Veiligheids- en bewakingssystemen

Inleiding

Veiligheids- en bewakingssystemen vormen de beschermende ruggengraat van elektrische voertuigen (EV's) en beschermen direct passagiers en verbeteren de veiligheid van het voertuig. Deze kritieke systemen omvatten Airbag Control Units (ACU's), bandenspanningscontrolesystemen (TPMS), botsingssensoren en detectie-eenheden voor inzittenden, die allemaal afhankelijk zijn van onmiddellijke respons en onwrikbare betrouwbaarheid. In veiligheidskritische toepassingen kunnen zelfs kleine PCB-fouten catastrofale gevolgen hebben, waardoor PCB-ontwerp en -fabricagestandaarden uitzonderlijk streng zijn. Dit artikel onderzoekt de gespecialiseerde PCB-vereisten, fabricage-uitdagingen en opkomende trends in EV-veiligheids- en bewakingssystemen, waarbij hun rol bij het waarborgen van veilige rijervaringen wordt benadrukt.

Systeemoverzicht

EV-veiligheids- en bewakingssystemen omvatten een reeks modules, die elk zijn ontworpen om gevaren te detecteren en beschermende reacties te activeren:

• Airbag Control Unit (ACU): Fungeert als de centrale hub voor botsingsreacties, verwerkt gegevens van versnellingsmeters en impactsensoren om airbags binnen milliseconden na een botsing te activeren.

• Bandenspanningscontrolesysteem (TPMS): Bewaakt continu de bandenspanning en -temperatuur en waarschuwt bestuurders voor lekken of overinflatie om klapbanden te voorkomen en de brandstofefficiëntie te verbeteren.

• Botsingssensoren: Worden over het voertuig (voor, achter en zijkanten) geplaatst om impacts of potentiële botsingen te detecteren, waardoor veiligheidsmaatregelen zoals het voorspannen van de veiligheidsgordel of noodremmen worden geactiveerd.

• Detectie-eenheden voor inzittenden: Gebruiken gewichtssensoren en capacitieve technologie om de aanwezigheid en positie van passagiers te detecteren, waardoor de ontplooiingskracht van de airbag wordt geoptimaliseerd en onnodige activering wordt voorkomen.

• Slimme deursloten: Integreren met voertuigbeveiligingssystemen om ongeoorloofde toegang te voorkomen, met behulp van RFID- of biometrische sensoren voor verbeterde bescherming.

PCB-ontwerpvereisten

Veiligheids- en bewakingssysteem-PCB's moeten aan veeleisende ontwerpcriteria voldoen om een fail-safe werking te garanderen:

1. Extreme betrouwbaarheid

Onmiddellijke respons is ononderhandelbaar in veiligheidssystemen en vereist PCB's die zijn ontworpen voor nul latentie:

• Respons op milliseconden: ACU's vereisen PCB's met minimale signaalvoortplantingsvertragingen, waardoor de airbag binnen 20–30 milliseconden na impact wordt geactiveerd.

• Redundante kritieke paden: Dubbele sporen en componenten voor vitale circuits (bijv. ingangen van botsingssensoren) voorkomen dat storingen op één punt het systeem uitschakelen.

2. Miniaturisatie

Ruimtebeperkingen op montageplaatsen (bijv. wielkasten voor TPMS, deurpanelen voor sensoren) stimuleren de behoefte aan compacte ontwerpen:

• Rigid-flex PCB's: TPMS en in-cabin sensoren gebruiken rigid-flex substraten om zich aan te passen aan krappe ruimtes, waarbij rigide secties voor componentmontage worden gecombineerd met flexibele secties voor trillingsbestendigheid.

• Hoge-dichtheid lay-outs: Geminiaturiseerde componenten (bijv. 01005-pakketten) en routing met fijne pitch maken complexe functionaliteit mogelijk in 巴掌大小的 PCB's.

3. Laag stroomverbruik

Veel bewakingssystemen (bijv. TPMS) zijn afhankelijk van batterijen en vereisen PCB's die zijn geoptimaliseerd voor energie-efficiëntie:

• Integratie van componenten met laag vermogen: Selectie van microcontrollers en sensoren met ultralaag standby-stroomverbruik om de levensduur van de batterij te verlengen (meestal 5–7 jaar voor TPMS).

• Stroombeheercircuits: Efficiënte spanningsregelaars en slaapmodusfunctionaliteit minimaliseren de energieafname tijdens inactiviteit.

Tabel 1: Veiligheidsmodules & PCB-vereisten

Fabricage-uitdagingen

Het produceren van PCB's voor veiligheidssystemen brengt unieke technische hindernissen met zich mee, die worden veroorzaakt door de behoefte aan betrouwbaarheid:

• Rigid-Flex betrouwbaarheid: Flexibele secties moeten bestand zijn tegen >10.000 flexcycli zonder spoorvorming of geleidervermoeidheid, wat een nauwkeurige materiaalkeuze (bijv. polyimide substraten) en gecontroleerde laminatieprocessen vereist.

• Montage van geminiaturiseerde componenten: Het solderen van 01005-pakketten (0,4 mm × 0,2 mm) vereist geavanceerde SMT-apparatuur met ±25μm plaatsingsnauwkeurigheid om bruggen of koude verbindingen te voorkomen.

• Conformiteitstests: PCB's moeten strenge certificeringsnormen doorstaan, waaronder AEC-Q200 (voor passieve componenten) en ISO 26262 (functionele veiligheid), waarbij thermische cycli, vochtigheidstests en trillingsstressscreening worden uitgevoerd.

Tabel 2: PCB-betrouwbaarheidsnormen voor veiligheidssystemen

Toekomstige trends

Verbeteringen in veiligheidstechnologie stimuleren de evolutie in PCB-ontwerp voor bewakingssystemen:

• Sensorfusie: Integratie van gegevens van meerdere sensoren (bijv. camera's, radar en ultrasoon) op één PCB om de nauwkeurigheid van gevarendetectie te verbeteren, wat snelle databussen en geavanceerde signaalverwerking vereist.

• Draadloze veiligheidssystemen: Het elimineren van bedrade verbindingen in TPMS en botsingssensoren door integratie met V2X (Vehicle-to-Everything) communicatiemodules, wat geoptimaliseerde RF-prestaties en draadloze protocollen met laag vermogen vereist.

• Ultra-betrouwbare materialen: Adoptie van laminaten met hoge Tg (≥180°C) met lage vochtopname om de duurzaamheid in ruwe omgevingen te verbeteren, waardoor de risico's op langdurige storingen worden verminderd.

Tabel 3: PCB-ontwerpparameters voor veiligheidsmodules

Conclusie

Veiligheids- en bewakingssystemen vertegenwoordigen de hoogste standaard voor PCB-betrouwbaarheid in EV's en vereisen ontwerpen die prioriteit geven aan onmiddellijke respons, miniaturisatie en naleving van strenge automotive-normen. Van rigid-flex PCB's die compacte TPMS-modules mogelijk maken tot redundante circuits die ACU-functionaliteit garanderen, deze boards zijn cruciaal voor de bescherming van passagiers. Naarmate de EV-veiligheidstechnologie vordert, zullen toekomstige PCB's sensorfusie, draadloze connectiviteit en geavanceerde materialen integreren, waardoor hun rol als de basis van de automotive-veiligheid verder wordt verbeterd. Fabrikanten die deze technologieën beheersen, zullen de benchmark voor veilige elektrische mobiliteit blijven bepalen.