Các yêu cầu đối với bảng mạch in trong hệ thống điện tử ô tô (6) Hệ thống An toàn & Giám sát

Giới thiệu

Hệ thống an toàn và giám sát là xương sống bảo vệ của xe điện (EV), bảo vệ trực tiếp hành khách và tăng cường an ninh cho xe. Các hệ thống quan trọng này bao gồm Bộ điều khiển túi khí (ACU), Hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS), cảm biến va chạm và bộ phận phát hiện người ngồi, tất cả đều dựa vào khả năng phản hồi tức thời và độ tin cậy vững chắc. Trong các ứng dụng quan trọng về an toàn, ngay cả những lỗi PCB nhỏ cũng có thể gây ra hậu quả thảm khốc, khiến các tiêu chuẩn thiết kế và sản xuất PCB trở nên đặc biệt nghiêm ngặt. Bài viết này khám phá các yêu cầu PCB chuyên biệt, những thách thức trong sản xuất và các xu hướng mới nổi trong hệ thống an toàn và giám sát EV, làm nổi bật vai trò của chúng trong việc đảm bảo trải nghiệm lái xe an toàn.

Tổng quan hệ thống

Hệ thống an toàn và giám sát EV bao gồm một loạt các mô-đun, mỗi mô-đun được thiết kế để phát hiện các mối nguy hiểm và kích hoạt các phản ứng bảo vệ:

• Bộ điều khiển túi khí (ACU): Hoạt động như một trung tâm để phản ứng va chạm, xử lý dữ liệu từ gia tốc kế và cảm biến va chạm để triển khai túi khí trong vòng vài mili giây sau khi va chạm.

• Hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS): Liên tục theo dõi áp suất và nhiệt độ lốp, cảnh báo người lái về rò rỉ hoặc bơm quá căng để ngăn ngừa nổ lốp và cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu.

• Cảm biến va chạm: Được triển khai trên toàn bộ xe (phía trước, phía sau và hai bên) để phát hiện va chạm hoặc va chạm tiềm ẩn, kích hoạt các biện pháp an toàn như siết chặt dây an toàn trước hoặc phanh khẩn cấp.

• Bộ phận phát hiện người ngồi: Sử dụng cảm biến trọng lượng và công nghệ điện dung để phát hiện sự hiện diện và vị trí của hành khách, tối ưu hóa lực triển khai túi khí và ngăn chặn việc kích hoạt không cần thiết.

• Khóa cửa thông minh: Tích hợp với hệ thống an ninh xe để ngăn chặn truy cập trái phép, sử dụng cảm biến RFID hoặc sinh trắc học để tăng cường bảo vệ.

Yêu cầu thiết kế PCB

PCB hệ thống an toàn và giám sát phải đáp ứng các tiêu chí thiết kế khắt khe để đảm bảo hoạt động an toàn:

1. Độ tin cậy cao

Khả năng phản hồi tức thời là không thể thương lượng trong các hệ thống an toàn, đòi hỏi PCB được thiết kế để có độ trễ bằng không:

• Phản hồi ở cấp độ mili giây: ACU yêu cầu PCB có độ trễ lan truyền tín hiệu tối thiểu, đảm bảo triển khai túi khí trong vòng 20–30 mili giây sau khi va chạm.

• Các đường dẫn quan trọng dự phòng: Sao chép các đường mạch và linh kiện cho các mạch quan trọng (ví dụ: đầu vào cảm biến va chạm) ngăn chặn các lỗi đơn điểm làm vô hiệu hóa hệ thống.

2. Thu nhỏ

Các hạn chế về không gian trong các vị trí lắp đặt (ví dụ: hốc bánh xe cho TPMS, tấm cửa cho cảm biến) thúc đẩy nhu cầu thiết kế nhỏ gọn:

• PCB cứng-linh hoạt: TPMS và cảm biến trong cabin sử dụng các lớp nền cứng-linh hoạt để phù hợp với không gian chật hẹp, kết hợp các phần cứng để gắn linh kiện với các phần linh hoạt để chống rung.

• Bố cục mật độ cao: Các linh kiện thu nhỏ (ví dụ: gói 01005) và định tuyến bước nhỏ cho phép các chức năng phức tạp trong đổ lòng bàn tay PCB.

3. Tiêu thụ điện năng thấp

Nhiều hệ thống giám sát (ví dụ: TPMS) dựa vào pin, yêu cầu PCB được tối ưu hóa để tiết kiệm năng lượng:

• Tích hợp linh kiện tiêu thụ điện năng thấp: Lựa chọn bộ vi điều khiển và cảm biến có dòng chờ cực thấp để kéo dài tuổi thọ pin (thường là 5–7 năm đối với TPMS).

• Mạch quản lý điện năng: Bộ điều chỉnh điện áp hiệu quả và chức năng chế độ ngủ giúp giảm thiểu hao hụt năng lượng trong thời gian không hoạt động.

Bảng 1: Mô-đun an toàn & Yêu cầu PCB

Thách thức sản xuất

Sản xuất PCB cho các hệ thống an toàn liên quan đến những trở ngại kỹ thuật độc đáo, do nhu cầu về độ tin cậy:

• Độ tin cậy của Cứng-Linh hoạt: Các phần linh hoạt phải chịu được >10.000 chu kỳ uốn cong mà không bị nứt mạch hoặc mỏi dây dẫn, đòi hỏi lựa chọn vật liệu chính xác (ví dụ: lớp nền polyimide) và quy trình cán được kiểm soát.

• Lắp ráp linh kiện thu nhỏ: Hàn các gói 01005 (0,4mm × 0,2mm) đòi hỏi thiết bị SMT tiên tiến với độ chính xác đặt ±25μm để tránh cầu nối hoặc mối nối nguội.

• Kiểm tra tuân thủ: PCB phải vượt qua các tiêu chuẩn chứng nhận nghiêm ngặt, bao gồm AEC-Q200 (đối với linh kiện thụ động) và ISO 26262 (an toàn chức năng), liên quan đến chu kỳ nhiệt, kiểm tra độ ẩm và sàng lọc ứng suất rung.

Bảng 2: Tiêu chuẩn độ tin cậy PCB cho hệ thống an toàn

Xu hướng tương lai

Những tiến bộ trong công nghệ an toàn đang thúc đẩy sự phát triển trong thiết kế PCB cho các hệ thống giám sát:

• Hợp nhất cảm biến: Tích hợp dữ liệu từ nhiều cảm biến (ví dụ: camera, radar và siêu âm) vào một PCB duy nhất để cải thiện độ chính xác phát hiện mối nguy hiểm, yêu cầu các bus dữ liệu tốc độ cao và xử lý tín hiệu tiên tiến.

• Hệ thống an toàn không dây: Loại bỏ các kết nối có dây trong TPMS và cảm biến va chạm thông qua tích hợp với các mô-đun truyền thông V2X (Xe-với-Mọi-thứ), đòi hỏi hiệu suất RF được tối ưu hóa và các giao thức không dây công suất thấp.

• Vật liệu siêu tin cậy: Áp dụng các lớp laminate Tg cao (≥180°C) với khả năng hấp thụ độ ẩm thấp để tăng cường độ bền trong môi trường khắc nghiệt, giảm rủi ro hỏng hóc dài hạn.

Bảng 3: Thông số thiết kế PCB cho các mô-đun an toàn

Kết luận

Hệ thống an toàn và giám sát đại diện cho tiêu chuẩn cao nhất về độ tin cậy PCB trong EV, yêu cầu các thiết kế ưu tiên phản hồi tức thời, thu nhỏ và tuân thủ các tiêu chuẩn ô tô nghiêm ngặt. Từ PCB cứng-linh hoạt cho phép các mô-đun TPMS nhỏ gọn đến các mạch dự phòng đảm bảo chức năng ACU, các bảng này rất quan trọng để bảo vệ hành khách. Khi công nghệ an toàn EV phát triển, PCB trong tương lai sẽ tích hợp hợp nhất cảm biến, kết nối không dây và vật liệu tiên tiến, đồng thời tăng cường hơn nữa vai trò của chúng như nền tảng của an toàn ô tô. Các nhà sản xuất làm chủ những công nghệ này sẽ tiếp tục thiết lập tiêu chuẩn cho tính di động điện an toàn.