ตัวเหนี่ยวนำหลายชั้นมีบทบาทสำคัญในแอปพลิเคชัน PoC ของยานยนต์

รถยนต์ระดับไฮเอนด์และระดับกลางรุ่นใหม่ที่วิ่งไปตามทางหลวงน่าจะใช้ชุดสายเคเบิล Power over Coax (PoC) เพื่อส่งกำลังไฟและข้อมูลที่จำเป็นสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์แบนด์วิดท์สูง และเพื่อลดความซับซ้อนในการเดินสายและน้ำหนักโดยรวม แม้แต่ยานพาหนะราคาถูกกว่าก็เริ่มนำเทคโนโลยี PoC มาใช้แล้ว ขณะที่แอพพลิเคชั่นด้านข้อมูลความบันเทิงและระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่เริ่มเข้าสู่ตลาดมากขึ้น

ปัจจุบันกล้องสำรองและระบบเบรกฉุกเฉินอัตโนมัติเป็นสิ่งจำเป็นในยานพาหนะทุกคันที่วางจำหน่ายในตลาดสหรัฐอเมริกา ไม่ว่าจะมีราคาใดก็ตาม การเดินสาย PoC มอบวิธีการที่ง่ายกว่าและคุ้มต้นทุนมากกว่าในการส่งพลังงานและข้อมูลผ่านสายเคเบิลเดียว (รูปที่ 1) เทคโนโลยีนี้สามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้น้ำมันของรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงและระยะทางของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ได้ด้วยการลดน้ำหนัก การประกอบสายเคเบิลที่ง่ายกว่ายังช่วยลดเวลาและแรงงานในการติดตั้งและบำรุงรักษา ประหยัดต้นทุนวัสดุ และขยายขนาดให้ครอบคลุมสายผลิตภัณฑ์ของผู้ผลิตได้

รูปที่ 1: แผนผังระบบถ่ายโอน PoC ทั่วไป (ที่มาของภาพ TDK Corporation)

อย่างไรก็ตาม การรวมสัญญาณและพลังงานภายในสายโคแอกเซียลเส้นเดียวนั้นมีสัญญาณรบกวน ดังนั้น แอปพลิเคชัน PoC ในยานยนต์จึงต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำตัวกรองค่าอิมพีแดนซ์สูงเพื่อให้แน่ใจถึงความน่าเชื่อถือในการใช้งานของระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน การจับคู่ค่าความต้านทานให้เหมาะสมถือเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อหลีกเลี่ยงการตกแรงดันไฟ การสูญเสียพลังงาน และการเสื่อมคุณภาพของข้อมูล ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อการทำงานของยานพาหนะ

ตัวเหนี่ยวนำหลายชั้นมีความจำเป็นมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากความสามารถในการรับรองการส่งสัญญาณที่สะอาด ตัวต้านทานเหล่านี้มีค่าเหนี่ยวนำและอิมพีแดนซ์สูงในรูปแบบที่กะทัดรัดมาก ซึ่งตอบสนองความต้องการประหยัดพื้นที่ เนื่องจากผู้ผลิตยานยนต์เพิ่มอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนบอร์ดมากขึ้น

PoC สอดคล้องกับข้อกำหนดการใช้งานยานยนต์อย่างไร

PoC ช่วยลดขั้นตอนในการจ่ายพลังงานและข้อมูลผ่านสายเคเบิลเพียงเส้นเดียว ช่วยประหยัดต้นทุนวัสดุและมีชิ้นส่วนน้อยลง และลดจุดที่อาจเกิดความล้มเหลวได้

เทคโนโลยีนี้สามารถปรับขนาดเพื่อรองรับคุณสมบัติเพิ่มเติมได้ง่ายขึ้น ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากผู้ประกอบรถยนต์ต่างพยายามเพิ่มเซ็นเซอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เพื่อให้เหมาะกับข้อมูลความบันเทิงและความปลอดภัย ซึ่งรวมถึงระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นเรื่อยๆ ยานยนต์ระดับไฮเอนด์กำลังก้าวข้ามขีดจำกัดเดิมๆ ไปสู่การเสนอฟีเจอร์พรีเมียม เช่น การขับขี่อัตโนมัติระดับ 2 มุมมองกล้อง 360 องศา และระบบจอดรถขนานและแนวตั้งฉากอัตโนมัติ

ต้องมีความสามารถในการจัดการการส่งข้อมูลความเร็วสูง วิดีโอความละเอียดสูง และการสื่อสารแบบเรียลไทม์ ความสามารถแบนด์วิดท์สูงและความถี่สูงของ PoC ถือเป็นสิ่งสำคัญในการใช้งานระบบยานพาหนะขั้นสูงที่ต้องอาศัยการผสมผสานเซ็นเซอร์หลายตัว การเชื่อมต่อ 5G สถาปัตยกรรมการประมวลผลแบบรวมศูนย์ และความสามารถในการประมวลผลแบบเอจมากขึ้น PoC สามารถรองรับมาตรฐานอุตสาหกรรมยานยนต์ เช่น FPD-Link III ด้วยความเร็วสูงสุด 4Gbps ต่อลิงก์ และการส่งข้อมูลอีเทอร์เน็ตของยานยนต์สูงสุด 10Gbps

การใช้งานในยานยนต์จะต้องได้รับการออกแบบให้เป็นไปตามมาตรฐานที่เข้มงวด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเกี่ยวข้องกับสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) จากแหล่งความถี่สูงในยานพาหนะทั่วไป เช่น ระบบจุดระเบิดและมอเตอร์ไฟฟ้า เสียงรบกวนจาก EMI อาจรบกวนระบบความปลอดภัยและระบบอินโฟเทนเมนท์ที่สำคัญ ซึ่งช่วยให้ผู้ขับขี่หลีกเลี่ยงการชนท้ายรถ รักษาเลนรถให้คงอยู่ และชะลอความเร็วหรือหยุดรถเมื่อมีรถยนต์ คนเดินถนน หรือสิ่งกีดขวางอื่นๆ อยู่บนเส้นทาง

สายโคแอกเชียลแบบมีฉนวนป้องกันจะช่วยปกป้องจาก EMI ได้ในระดับหนึ่ง แต่เนื่องจาก PoC ส่งทั้งสัญญาณไฟฟ้าและข้อมูล แอปพลิเคชั่นต่างๆ จึงต้องใช้ตัวกรองเพื่อป้องกันการสนทนาข้ามสายและความไม่เสถียรของระบบที่อาจเกิดขึ้นได้ ตัวเก็บประจุบนด้านสายสัญญาณใช้เพื่อบล็อกกระแสไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟ DC และตัวเหนี่ยวนำตัวกรองบนสายแหล่งจ่ายไฟจะป้องกันการรบกวนสัญญาณบรอดแบนด์

ตัวเหนี่ยวนำตัวกรองบนสายไฟจะป้องกันสัญญาณรบกวนและช่วยให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของสัญญาณโดยการบล็อกสัญญาณรบกวนในขณะที่ปล่อยให้กระแสไฟ DC ไหลผ่านได้ มาพร้อมกับชิปบีดแบบติดพื้นผิวที่ช่วยลด EMI ลดการครอสทอล์ค และกรองสัญญาณเฉพาะจุด

เม็ดชิปและตัวเหนี่ยวนำตัวกรองทำงานร่วมกันเพื่อให้แน่ใจว่ามีการส่งสัญญาณพลังงานและข้อมูลความถี่สูงอย่างราบรื่นผ่านสายโคแอกเซียลเส้นเดียว ส่วนประกอบแต่ละส่วนมีบทบาทเสริมกันในการจัดการสัญญาณรบกวนและรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ สิ่งนี้มีความสำคัญในการรับรองการส่งพลังงานสะอาดและการสื่อสารข้อมูลที่เสถียรซึ่งจำเป็นต่อความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของแอปพลิเคชัน PoC สำหรับยานยนต์

บทบาทของตัวเหนี่ยวนำในระบบ PoC

ตัวเหนี่ยวนำแบบคอยล์มาตรฐานสามารถใช้เพื่อบล็อกสัญญาณข้อมูลความถี่สูงจากสายไฟได้ในขณะที่ให้กระแสไฟ DC ผ่านได้ แต่ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้อาจมีขนาดใหญ่และทำงานได้ไม่ดีนักเมื่อใช้กับช่วงความถี่สูงที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชัน PoC ตัวกรอง PoC ทั่วไปจะประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำสี่ตัวร่วมกับเม็ดชิป ซึ่งกินพื้นที่อันมีค่าบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

ตัวเหนี่ยวนำหลายชั้นมีขนาดกะทัดรัดมากและเหมาะกับความต้องการด้านพื้นที่ที่จำกัดในการใช้งานยานยนต์ เกิดจากการนำวัสดุตัวนำและฉนวนมาซ้อนกันเป็นชั้นๆ เพื่อสร้างโครงสร้างโมโนลิธิกที่กะทัดรัด ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในระบบยานยนต์

ในการเลือกตัวเหนี่ยวนำหลายชั้นที่เหมาะสม นักออกแบบผลิตภัณฑ์จะต้องสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ขนาด และความน่าเชื่อถือ เพื่อให้มั่นใจถึงการจ่ายพลังงานที่มีประสิทธิภาพและความสมบูรณ์ของข้อมูล สัญญาณข้อมูลความถี่สูงในระบบ PoC ต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำที่มีอิมพีแดนซ์สูงอย่างสม่ำเสมอในช่วงความถี่ที่กว้าง โดยทั่วไปอยู่ในช่วง MHz ถึง GHz เพื่อลดสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความต้านทาน DC ต่ำ (DCR) ยังมีความสำคัญต่อการลดการสูญเสียพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น EV

นักออกแบบควรพิจารณาสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวน และอาจตัดสินใจจับคู่ตัวเหนี่ยวนำหลายชั้นกับลูกปัดชิปเพื่อป้องกัน EMI ที่ได้รับการปรับปรุง ตัวเหนี่ยวนำหลายชั้นหนึ่งตัวและลูกปัดชิปสองเม็ดสามารถแทนที่ตัวเหนี่ยวนำสี่ตัวที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ได้ ช่วยลดพื้นที่ PCB ที่จำเป็นได้อย่างมาก

ตัวเหนี่ยวนำหลายชั้นสำหรับแอปพลิเคชัน PoC ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ตรงตามมาตรฐานยานยนต์ที่เข้มงวด เช่น AEC-Q200 และให้การป้องกัน EMI ที่เหนือกว่าที่ความถี่สูง ผลิตโดยใช้กระบวนการขั้นสูงที่ปรับขนาดได้ตามความต้องการการผลิตยานยนต์ปริมาณสูง

ตัวเหนี่ยวนำซีรีย์ MLJ-G ของ TDK

TDK Corporation นำเสนอตัวเหนี่ยวนำหลากหลายชนิดสำหรับวงจรตัวกรองซึ่งออกแบบมาเพื่อตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดของแอปพลิเคชัน PoC ในยานยนต์ ซีรีย์ MLJ-G มีจำหน่ายเป็นกลุ่มผลิตภัณฑ์สองกลุ่ม โดยทั้งคู่มีคุณสมบัติความต้านทานสูงสำหรับส่วนประกอบ AC ที่ใช้ใน ADAS และยังมีตัวเลือกให้เพื่อตอบสนองการใช้งานที่หลากหลาย ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้สร้างขึ้นตามข้อกำหนดระดับยานยนต์ จึงมีความแข็งแกร่งเพียงพอที่จะทนต่อแรงกระแทกที่มักเกิดขึ้นในการทำงานยานพาหนะ และมีอายุการใช้งานยาวนาน

ตัวเหนี่ยวนำซีรีย์ MLJ1005-G รุ่นใหม่ เช่น MLJ1005WGHR27PTD25 (รูปที่ 2) มีขนาด 1.0mm × 0.5mm × 0.5mm รองรับกระแสไฟได้สูงสุดถึง 480mA และมีความต้านทานสูงที่ความถี่สูง พร้อมการเสื่อมสภาพขั้นต่ำ เพื่อรองรับความเร็วในการส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้นในการใช้งาน PoC ในยานยนต์ เช่น ระบบกล้องที่ใช้การส่งข้อมูล SerDes

รูปที่ 2: ภาพตัวแทนของตัวเหนี่ยวนำซีรีย์ MLJ-1005-G ของ TDK (ที่มาของภาพ: TDK Corporation)

ตัวเหนี่ยวนำซีรีย์ MLJ1608-G มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อยที่ 1.6mm × 0.8mm × 0.8mm และให้ความสมดุลระหว่างขนาดและประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น MLJ1608WGCR56NTD25 รองรับกระแสไฟสูงสุดถึง 500mA และแสดงการเปลี่ยนแปลงที่ลดลงในความต้านทานระหว่างการใช้กระแสไฟเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเหนี่ยวนำหลายชั้นธรรมดา

ซีรีย์ MLJ1608-G มีค่าอิมพีแดนซ์สูงสุดที่ 2,500Ω และรักษาระดับที่สูงกว่า 1,000Ω ระหว่างช่วงความถี่ 300MHz และ 2GHz ช่วยกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือภายใต้การสั่นสะเทือนทางกล และอยู่ในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -55°C ถึง +125°C ซึ่งตรงตามมาตรฐานอุตสาหกรรมยานยนต์

สายผลิตภัณฑ์ MLJ-G ใช้เฟอร์ไรต์ที่มีการสูญเสียต่ำซึ่งดูดซับและกระจาย EMI เพื่อให้แน่ใจว่ามีการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณในสภาพแวดล้อมยานยนต์ความถี่สูง ด้วยความต้านทาน DC ต่ำ จึงลดการสูญเสียพลังงานลง ทำให้จ่ายไฟได้อย่างมีประสิทธิภาพแม้ในดีไซน์ยานยนต์ที่กะทัดรัดและประสิทธิภาพสูง

การจับคู่ชิปบีดกับตัวเหนี่ยวนำ

นักออกแบบสามารถปรับปรุงแอปพลิเคชัน PoC ยานยนต์ได้โดยการเลือกชิปบีดที่ป้องกันเสียงรบกวนซึ่งเสริมกับตัวเหนี่ยวนำซีรีย์ MLJ-G

ชิปบีด ซีรีย์ MMZ ของ TDK ออกแบบมาสำหรับทั้งวงจรสัญญาณและวงจรแหล่งจ่ายไฟ มีค่าความต้านทานสูงในช่วงความถี่ที่กว้าง จึงเหมาะกับการป้องกันสัญญาณรบกวนความถี่สูง ซีรีย์ MPZ ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานสายส่งไฟฟ้ายานยนต์ โดยมีคุณสมบัติความต้านทาน DC ต่ำและความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าสูงเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของพลังงานในวงจร PoC

บทสรุป

ตัวเหนี่ยวนำซีรีย์ MLJ-G ของ TDK รวมถึงชิปบีดซีรีย์ MMZ และ MPZ ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดของแอปพลิเคชัน PoC ในยานยนต์ โดยรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้และความสมบูรณ์ของสัญญาณ เนื่องจากผู้ผลิตยังคงเพิ่มแอปพลิเคชันด้านความปลอดภัยและอินโฟเทนเมนต์ที่อาศัยสัญญาณความถี่สูงและแบนด์วิดท์สูง