Các yêu cầu đối với bảng mạch in trong hệ thống điện tử ô tô (3) ADAS & Lái xe tự hành

Giới thiệu

Hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) và công nghệ lái xe tự hành đang định hình lại ngành công nghiệp ô tô, cho phép xe có thể cảm nhận, phân tích và phản ứng với môi trường xung quanh với mức độ tự chủ ngày càng tăng. Các mô-đun chính như radar sóng milimet (24GHz/77GHz), LiDAR, cảm biến siêu âm và hệ thống camera tạo thành mạng lưới cảm biến cung cấp năng lượng cho các chức năng như kiểm soát hành trình thích ứng, cảnh báo chệch làn đường, phanh khẩn cấp tự động và tự đỗ xe. Các hệ thống này dựa vào việc truyền dữ liệu tốc độ cao, tần số cao, khiến thiết kế PCB trở thành một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và hiệu suất thời gian thực. Bài viết này xem xét các yêu cầu PCB chuyên biệt, thách thức sản xuất và các xu hướng mới nổi trong các ứng dụng ADAS và lái xe tự hành.

Tổng quan hệ thống

Hệ thống ADAS và lái xe tự hành tích hợp nhiều công nghệ cảm biến để tạo ra một khuôn khổ nhận thức môi trường toàn diện:

• Radar (24GHz/77GHz): Hoạt động ở tần số 24GHz để phát hiện tầm ngắn (ví dụ: hỗ trợ đỗ xe) và 77GHz cho các ứng dụng tầm xa (ví dụ: kiểm soát hành trình trên đường cao tốc), phát hiện khoảng cách, vận tốc và hướng của vật thể.

• LiDAR: Sử dụng xung laser (bước sóng 905–1550nm) để tạo ra các đám mây điểm 3D của môi trường xung quanh, cho phép lập bản đồ chính xác các chướng ngại vật và địa hình.

• Cảm biến siêu âm: Cung cấp khả năng phát hiện vật thể tầm ngắn (thường là <5m) cho các tình huống tốc độ thấp như đỗ xe, tận dụng sóng âm để đo khoảng cách.

• Camera: Thu thập dữ liệu hình ảnh để nhận dạng vạch kẻ làn đường, phát hiện biển báo giao thông và nhận dạng người đi bộ, yêu cầu hình ảnh có độ phân giải cao và xử lý dữ liệu nhanh chóng.

Yêu cầu thiết kế PCB

PCB ADAS và lái xe tự hành phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật độc đáo để hỗ trợ hoạt động của cảm biến hiệu suất cao:

1. Tính toàn vẹn tín hiệu tần số cao

Cảm biến tần số cao (ví dụ: radar 77GHz) yêu cầu PCB được tối ưu hóa để giảm thiểu tổn thất tín hiệu và truyền chính xác:

• Vật liệu tổn thất thấp: Các lớp phủ như Rogers RO4000, Megtron 6 và Tachyon được ưa chuộng vì hằng số điện môi (Dk) và hệ số tiêu tán (Df) thấp, giảm thiểu sự suy giảm tín hiệu ở tần số cao.

• Kiểm soát trở kháng chặt chẽ: Duy trì trở kháng trong dung sai ±5% là rất quan trọng đối với các đường dẫn dữ liệu tốc độ cao, đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu trên các bộ thu phát radar và mạch điều khiển LiDAR.

• Định tuyến có kiểm soát: Các đường dẫn dấu vết ngắn, trực tiếp với hình học nhất quán làm giảm sự phản xạ và nhiễu xuyên âm, cần thiết cho radar 77GHz và giao diện camera đa gigabit.

2. Thu nhỏ

Các ràng buộc về không gian trong các vị trí lắp đặt trên xe (ví dụ: cản, gương, mui xe) thúc đẩy nhu cầu thiết kế PCB nhỏ gọn:

• Cấu trúc xếp chồng 6–10 lớp: Cấu trúc nhiều lớp tối đa hóa mật độ linh kiện trong khi tách các lớp nguồn, nối đất và tín hiệu để giảm nhiễu.

• Linh kiện có bước chân nhỏ: Tích hợp các IC và linh kiện thụ động có kích thước nhỏ (ví dụ: gói 0402 hoặc nhỏ hơn) cho phép tăng cường chức năng trong không gian hạn chế.

3. Khả năng chống chịu môi trường

Cảm biến được gắn bên ngoài hoặc trong môi trường xe khắc nghiệt yêu cầu bảo vệ PCB mạnh mẽ:

• Thiết kế chống thấm nước và chống bụi: Lớp phủ phù hợp và vỏ bọc kín ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm và mảnh vụn, rất quan trọng đối với radar dưới cản và camera bên ngoài.

• Khả năng chống tia cực tím: PCB cho LiDAR gắn trên mái nhà hoặc camera kính chắn gió phải chịu được ánh nắng mặt trời kéo dài mà không bị suy giảm vật liệu.

Bảng 1: Yêu cầu về tần số cảm biến ADAS & Vật liệu PCB

Thách thức sản xuất

Sản xuất PCB cho hệ thống ADAS liên quan đến kỹ thuật chính xác để đáp ứng các yêu cầu về tần số cao và độ tin cậy:

• Khắc PCB vi sóng: Ăng-ten radar yêu cầu kiểm soát độ rộng đường cực kỳ chính xác (±0,02mm) để duy trì các mẫu bức xạ và đáp ứng tần số, thách thức các quy trình khắc truyền thống.

• Laminate vật liệu hỗn hợp: PCB lai kết hợp FR-4 với chất nền PTFE hoặc gốm (cho LiDAR và radar) yêu cầu kiểm soát chặt chẽ áp suất và nhiệt độ laminate để ngăn ngừa sự phân lớp và đảm bảo các đặc tính điện môi đồng nhất.

• Định tuyến dữ liệu tốc độ cao: Các giao diện như USB, Ethernet và MIPI D-PHY đòi hỏi sự phù hợp trở kháng nghiêm ngặt và định tuyến cặp vi sai, với độ lệch tối thiểu để hỗ trợ tốc độ dữ liệu đa gigabit từ camera và cảm biến.

Bảng 2: Dung sai PCB cho bảng ADAS tần số cao

Xu hướng tương lai

Khi lái xe tự hành tiến tới các cấp độ cao hơn (L3+), thiết kế PCB sẽ phát triển để hỗ trợ các nhu cầu về tổng hợp cảm biến và tính toán phức tạp hơn:

• Tích hợp với bộ xử lý AI: GPU hiệu suất cao và các đơn vị xử lý thần kinh (NPU) sẽ được tích hợp trực tiếp vào PCB cảm biến, cho phép phân tích dữ liệu theo thời gian thực và giảm độ trễ trong nhận dạng đối tượng.

• Mô-đun tổng hợp cảm biến: Kết hợp radar, LiDAR và giao diện camera trên một PCB duy nhất sẽ hợp lý hóa việc tổng hợp dữ liệu, yêu cầu các kỹ thuật cách ly và đồng bộ hóa tín hiệu tiên tiến.

• Giao diện tốc độ cao: Việc áp dụng PCIe Gen4/5 và 10G Ethernet sẽ cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn giữa các cảm biến và các đơn vị tính toán trung tâm, đòi hỏi vật liệu tổn thất thấp và định tuyến cặp vi sai được tối ưu hóa.

Bảng 3: Lớp PCB mô-đun ADAS

Kết luận

Hệ thống ADAS và lái xe tự hành đặt ra những yêu cầu chưa từng có đối với thiết kế PCB, đòi hỏi hiệu suất tần số cao, thu nhỏ và khả năng phục hồi môi trường. Với các cảm biến hoạt động ở tần số và tốc độ dữ liệu ngày càng cao, vật liệu PCB, độ chính xác sản xuất và tối ưu hóa bố cục đã trở nên quan trọng đối với an toàn và quyền tự chủ của xe. Khi ngành công nghiệp tiến tới quyền tự chủ hoàn toàn, PCB sẽ tiếp tục phát triển, tích hợp xử lý AI, tổng hợp đa cảm biến và giao diện tốc độ cực cao để cho phép thế hệ công nghệ lái xe thông minh tiếp theo.