متطلبات لوحات الدوائر المطبوعة في أنظمة الإلكترونيات في السيارات (3) ADAS والقيادة الذاتية

مقدمة

تعيد أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) وتقنيات القيادة الذاتية تشكيل صناعة السيارات، مما يمكّن المركبات من الإدراك والتحليل والاستجابة لبيئتها باستقلالية متزايدة. تشكل الوحدات الرئيسية مثل رادار الموجة المليمترية (24 جيجاهرتز/77 جيجاهرتز)، وLiDAR، وأجهزة الاستشعار فوق الصوتية، وأنظمة الكاميرات شبكة الاستشعار التي تشغل وظائف مثل التحكم التكيفي في السرعة، والتحذير من مغادرة المسار، والفرملة التلقائية في حالات الطوارئ، والركن الذاتي. تعتمد هذه الأنظمة على نقل البيانات عالي التردد وعالي السرعة، مما يجعل تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) عاملاً حاسمًا في ضمان الدقة والموثوقية والأداء في الوقت الفعلي. تستعرض هذه المقالة متطلبات لوحات الدوائر المطبوعة المتخصصة، وتحديات التصنيع، والاتجاهات الناشئة في تطبيقات ADAS والقيادة الذاتية.

نظرة عامة على النظام

تدمج أنظمة ADAS والقيادة الذاتية تقنيات استشعار متعددة لإنشاء إطار عمل شامل للوعي البيئي:

• الرادار (24 جيجاهرتز/77 جيجاهرتز): يعمل عند 24 جيجاهرتز للكشف عن النطاق القصير (مثل المساعدة في ركن السيارة) و77 جيجاهرتز للتطبيقات بعيدة المدى (مثل التحكم في السرعة على الطرق السريعة)، واكتشاف مسافة الجسم وسرعته واتجاهه.

• LiDAR: يستخدم نبضات الليزر (طول موجي 905–1550 نانومتر) لإنشاء سحابات نقاط ثلاثية الأبعاد للبيئة المحيطة، مما يتيح رسم خرائط دقيقة للعوائق والتضاريس.

• أجهزة الاستشعار فوق الصوتية: توفر الكشف عن الأجسام قصيرة المدى (عادةً ما يكون <5 أمتار) للسيناريوهات منخفضة السرعة مثل الركن، والاستفادة من الموجات الصوتية لقياس المسافات.

• الكاميرات: تلتقط البيانات المرئية للتعرف على علامات المسار، واكتشاف إشارات المرور، وتحديد المشاة، مما يتطلب تصويرًا عالي الدقة ومعالجة سريعة للبيانات.

متطلبات تصميم لوحات الدوائر المطبوعة

يجب أن تلبي لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بـ ADAS والقيادة الذاتية متطلبات فنية فريدة لدعم تشغيل المستشعرات عالية الأداء:

1. سلامة الإشارات عالية التردد

تتطلب المستشعرات عالية التردد (مثل رادار 77 جيجاهرتز) لوحات دوائر مطبوعة مُحسّنة لتقليل فقدان الإشارة والإرسال الدقيق:

• مواد منخفضة الفقد: تُفضل الرقائق مثل Rogers RO4000 وMegtron 6 وTachyon بسبب ثابت العزل الكهربائي المنخفض (Dk) وعامل التبديد (Df)، مما يقلل من ضعف الإشارة عند الترددات العالية.

• التحكم الدقيق في المعاوقة: يعد الحفاظ على المعاوقة ضمن نطاق تفاوت يبلغ ±5% أمرًا بالغ الأهمية لمسارات البيانات عالية السرعة، مما يضمن سلامة الإشارة عبر أجهزة الإرسال والاستقبال الرادارية ودوائر التحكم في LiDAR.

• التوجيه المتحكم فيه: تعمل مسارات التتبع القصيرة والمباشرة ذات الهندسة المتسقة على تقليل الانعكاسات والتداخل، وهو أمر ضروري لرادار 77 جيجاهرتز وواجهات الكاميرا متعددة الجيجابت.

2. التصغير

تفرض قيود المساحة في مواقع تركيب المركبات (مثل المصدات والمرايا والسقف) الحاجة إلى تصميمات لوحات دوائر مطبوعة مدمجة:

• تراكم 6–10 طبقات: تعمل الهياكل متعددة الطبقات على زيادة كثافة المكونات مع فصل طبقات الطاقة والأرض والإشارة لتقليل التداخل.

• مكونات ذات درجة دقة عالية: يتيح دمج الرقائق المتكاملة ذات الحجم الصغير والمكونات السلبية (مثل حزم 0402 أو أصغر) وظائف أعلى في مساحة محدودة.

3. المقاومة البيئية

تتطلب المستشعرات المثبتة خارجيًا أو في بيئات المركبات القاسية حماية قوية للوحة الدوائر المطبوعة:

• تصميم مقاوم للماء والغبار: تمنع الطلاءات المتوافقة والحاويات المختومة دخول الرطوبة والحطام، وهو أمر بالغ الأهمية لرادار أسفل المصد والكاميرات الخارجية.

• مقاومة الأشعة فوق البنفسجية: يجب أن تتحمل لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بـ LiDAR المثبتة على السطح أو كاميرات الزجاج الأمامي التعرض الطويل لأشعة الشمس دون تدهور المواد.

الجدول 1: متطلبات تردد مستشعر ADAS ومواد لوحات الدوائر المطبوعة

تحديات التصنيع

يتضمن إنتاج لوحات الدوائر المطبوعة لأنظمة ADAS هندسة دقيقة لتلبية متطلبات التردد العالي والموثوقية:

• نقش لوحات الدوائر المطبوعة بالميكروويف: تتطلب هوائيات الرادار تحكمًا فائق الدقة في عرض الخط (±0.02 مم) للحفاظ على أنماط الإشعاع والاستجابة للتردد، مما يمثل تحديًا لعمليات النقش التقليدية.

• التصفيح المختلط للمواد: تتطلب لوحات الدوائر المطبوعة الهجينة التي تجمع بين FR-4 مع ركائز PTFE أو السيراميك (لـ LiDAR والرادار) تحكمًا دقيقًا في ضغط ودرجة حرارة التصفيح لمنع الانفصال وضمان خصائص عازلة موحدة.

• توجيه البيانات عالي السرعة: تتطلب واجهات مثل USB وEthernet وMIPI D-PHY مطابقة معاوقة صارمة وتوجيه أزواج تفاضلية، مع الحد الأدنى من الانحراف لدعم معدلات البيانات متعددة الجيجابت من الكاميرات وأجهزة الاستشعار.

الجدول 2: تفاوتات لوحات الدوائر المطبوعة للوحات ADAS عالية التردد

الاتجاهات المستقبلية

مع تقدم القيادة الذاتية نحو مستويات أعلى (L3+)، سيتطور تصميم لوحات الدوائر المطبوعة لدعم المزيد من دمج المستشعرات المعقدة واحتياجات الحوسبة:

• التكامل مع معالجات الذكاء الاصطناعي: سيتم دمج وحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة العصبية (NPUs) عالية الأداء مباشرة على لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بالمستشعرات، مما يتيح تحليل البيانات في الوقت الفعلي وتقليل زمن الوصول في التعرف على الأشياء.

• وحدات دمج المستشعرات: سيؤدي الجمع بين واجهات الرادار وLiDAR والكاميرا على لوحة دوائر مطبوعة واحدة إلى تبسيط تجميع البيانات، مما يتطلب تقنيات عزل ومزامنة متقدمة للإشارات.

• واجهات عالية السرعة: سيمكن اعتماد PCIe Gen4/5 و10G Ethernet من نقل البيانات بشكل أسرع بين المستشعرات ووحدات الحوسبة المركزية، مما يتطلب مواد منخفضة الفقد وتوجيه أزواج تفاضلية مُحسّن.

الجدول 3: طبقة لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة ADAS

الخلاصة

تضع أنظمة ADAS والقيادة الذاتية متطلبات غير مسبوقة على تصميم لوحات الدوائر المطبوعة، مما يتطلب أداءً عالي التردد، وتصغيرًا، ومرونة بيئية. مع عمل المستشعرات بترددات ومعدلات بيانات متزايدة، أصبحت مواد لوحات الدوائر المطبوعة ودقة التصنيع وتحسين التخطيط أمرًا بالغ الأهمية لسلامة السيارة واستقلاليتها. مع تقدم الصناعة نحو الاستقلالية الكاملة، ستستمر لوحات الدوائر المطبوعة في التطور، ودمج معالجة الذكاء الاصطناعي، ودمج المستشعرات المتعددة، والواجهات فائقة السرعة لتمكين الجيل التالي من تقنيات القيادة الذكية.