Cumplir las exigencias cambiantes del diseño de automóviles aplicando componentes avanzados

Las aplicaciones de automoción se enfrentan a un complejo conjunto de requisitos que van desde las necesidades fundamentales de alto rendimiento, fiabilidad y seguridad de los subsistemas electrónicos hasta la creciente demanda de diversas opciones de conectividad. Cumplir estos requisitos es todo un desafío debido a la dureza del entorno automovilístico, la necesidad de subsistemas más compactos y el paso a vehículos eléctricos (VE) e híbridos de alto voltaje.

Los desarrolladores necesitan una amplia gama de capacitores, dispositivos de protección de circuitos y antenas de radiofrecuencia (RF) que puedan cumplir o superar las normas AEC-Q200 y, al mismo tiempo, satisfacer los desafíos relacionados con el rendimiento, la fiabilidad, la seguridad y la conectividad en los diseños de automoción. Para superar estos desafíos, los diseñadores de sistemas de automoción pueden recurrir a una empresa con experiencia en capacitores, dispositivos de protección de circuitos y antenas de radiofrecuencia conformes con la norma Automotive Electronic Council Qualifications 200 (AEC-Q200). Si lo hace, ahorrará tiempo y aumentará las probabilidades de éxito del diseño.

Este artículo ofrece una breve panorámica de las principales tendencias y desafíos de diseño en las nuevas aplicaciones de automoción. A continuación, presenta las soluciones de Kyocera AVX y muestra cómo pueden ayudar a afrontar estos desafíos.

Las tendencias en automoción modifican los requisitos de diseño

La demanda de más funciones y capacidades ha aumentado drásticamente la cantidad de contenido electrónico en los vehículos de automoción. Junto con otros subsistemas más orientados al consumidor, como los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), los subsistemas electrónicos integrados contribuyen a mejorar la seguridad, la eficiencia y el confort tanto de los vehículos convencionales como de los eléctricos. Especialmente en los vehículos eléctricos, los subsistemas electrónicos desempeñan un papel fundamental a la hora de garantizar la potencia y la eficiencia en los trenes motrices de alto voltaje y los sistemas de gestión de baterías.

Las tendencias del sector exigen que los desarrolladores de subsistemas electrónicos para automóviles convencionales y vehículos eléctricos ofrezcan diseños más compactos y rentables, manteniendo al mismo tiempo los más altos niveles de rendimiento, fiabilidad y seguridad. Los componentes de Kyocera AVX conformes a AEC-Q200 cumplen los diversos requisitos de los múltiples sistemas electrónicos necesarios para apoyar estas tendencias emergentes.

Los capacitores cumplen los requisitos fundamentales del diseño de automóviles

Los capacitores de Kyocera AVX cumplen los requisitos fundamentales de rendimiento, fiabilidad y seguridad de los subsistemas electrónicos de automoción. Fabricados con diversas tecnologías, estos capacitores ofrecen a los diseñadores la combinación necesaria de características nominales, prestaciones, embalaje y tipos de montaje, incluidas las versiones con tecnología de montaje superficial (SMT) y con terminales radiales.

Los diseñadores suelen recurrir a los capacitores de chip cerámicos multicapa (MLCC), como la familia de MLCC SMT para automoción conforme a AEC-Q200 de Kyocera AVX, para aplicaciones que requieren un tamaño mínimo con alta fiabilidad, alta capacitancia y baja resistencia equivalente en serie (ESR). Por ejemplo, el KAS21BR72A222JM es un MLCC con una capacidad nominal de 2200 picofaradios (pF) y 100 voltios, que se presenta en un encapsulado SMT 0805 estándar de 2.01 × 1.25 milímetros (mm).

En el pasado, los MLCC convencionales utilizados en el diseño de automóviles fallaban a menudo debido a la tensión mecánica y a los desajustes entre el coeficiente de expansión térmica del dispositivo y el de la placa de circuito impreso (placa ci). Kyocera AVX aborda este problema con su innovadora tecnología FLEXITERM, que incorpora una capa de polímero conductor para mantener la conexión eléctrica entre el electrodo del condensador y la terminación, incluso durante la flexión, vibración y expansión térmica de la placa. Esta capa ayuda a reducir las fuentes comunes de fallo sin aumentar la ESR del capacitor.

Para proteger aún más contra fallos en aplicaciones críticas para la seguridad, algunos MLCC Kyocera AVX, incluido el KAS21BR72A222JM, combinan la tecnología FLEXITERM con FLEXISAFE. Los MLCC FLEXISAFE de Kyocera AVX (Figura 1) utilizan un diseño interno de electrodos en cascada para ofrecer dos condensadores en serie dentro de un único encapsulado MLCC.

Figura 1: La tecnología FLEXITERM MLCC de Kyocera AVX incorpora una capa de polímero conductor entre el electrodo y la terminación para ayudar a mantener la conexión eléctrica entre el dispositivo y la placa a pesar de la tensión mecánica y el desajuste térmico. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Con esta estructura en cascada, incluso si uno de los capacitores en serie internos del FLEXISAFE MLCC sufriera un cortocircuito, estos dispositivos mantendrán su capacitancia nominal.

Garantizar un rendimiento estable en los diseños de automoción

Además de una alta fiabilidad, muchos subsistemas de automoción dependen de un rendimiento altamente estable y de bajas pérdidas con un cambio mínimo de capacitancia debido a la temperatura, la tensión o el envejecimiento. Para estos diseños, los desarrolladores pueden recurrir a los capacitores dieléctricos C0G (NP0) de Kyocera AVX con certificación AEC-Q200, como el MLCC SMT 08051A102J4T2A de 1000 pF, o el MLCC radial AR215A102J4R de 1000 pF.

Fabricados con uno de los dieléctricos más estables, los capacitores dieléctricos AVX C0G (NP0) de Kyocera presentan tolerancias ajustadas y exhiben excelentes características de estabilidad, incluyendo:

• Desviación de capacidad o histéresis insignificantes: menos de ±0.05% en comparación con los ±2% de los capacitores de película.
• Efectos de envejecimiento mínimos: la variación típica de la capacitancia es inferior a ±0.1% para C0G (NP0), una quinta parte que la de la mayoría de los demás dieléctricos (Figura 2, izquierda).
• Cambio mínimo de la capacitancia con la temperatura: sólo 0 ±30 partes por millón por grado Celsius (°C), menos de ±0.3%°C en toda la gama de temperaturas nominales de estos dispositivos, de -55 °C a +125 °C (Figura 2, derecha).

Figura 2: Los capacitores dieléctricos C0G (NP0) con calificación AEC-Q200 mantienen un funcionamiento estable con el paso del tiempo (izquierda) y a lo largo de su temperatura de funcionamiento (derecha). (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Cumplimiento de requisitos exigentes en el sector de la automoción

La aparición de vehículos eléctricos e híbridos ha disparado la demanda de capacitores capaces de soportar el entorno de alta tensión de estos vehículos. Kyocera AVX satisface esta necesidad con su serie SkyCap AR de capacitores cerámicos con certificación AEC-Q200, como el capacitor radial AR30HC102K4R de 1,000 pF, con una tensión nominal de 3,000 V.

La proliferación de sensores en los subsistemas de automoción requiere condensadores que puedan funcionar con fiabilidad en entornos de alta temperatura, como los que se encuentran bajo el capó, en el tren de transmisión y en los sistemas de frenado. Los miembros de la familia SkyCap AR, fabricados con el dieléctrico X8R, presentan un rango de temperaturas de funcionamiento de -55 °C a +150 °C y ofrecen una amplia gama de capacitancias, de hasta 0.33 microfaradios (µF) con el AR205F334K4R.

Para un funcionamiento a temperaturas aún más elevadas, la serie THJ de condensadores de tántalo de Kyocera AVX ofrece un rango de temperaturas de funcionamiento de -55 °C a +175 °C en dispositivos con capacitancias que van desde 0,1 µF con el THJA104K035RJN hasta 220 µF con el THJE227K010RJN. El primero se fabrica en un encapsulado SMT estándar 1206 (3.2 mm × 1.6 mm) y el segundo en un encapsulado SMT estándar 2917 (7.3 mm × 4.3 mm).

Las soluciones más compactas son cada vez más importantes en los vehículos. Las matrices de capacitores de la serie W2A de Kyocera AVX, con certificación AEC-Q200 para componentes pasivos integrados (IPC), proporcionan dos o cuatro capacitores en un único encapsulado 0508 (1.3 mm × 2.1 mm). El W3A43C104K4Z2A, que forma parte de las series de capacitores W3A de la empresa con certificación IPC AEC-Q200, es una matriz de capacitores cerámicos IPC FLEXITERM que integra cuatro condensadores de 0.1 µF en un único encapsulado 0612 (1.6 mm × 3.2 mm). Esta combinación de características proporciona una solución compacta que puede soportar tensiones mecánicas y térmicas, al tiempo que ofrece un importante ahorro de espacio en la placa en comparación con los diseños que utilizan capacitores discretos (Figura 3).

Figura 3: Al estar fabricado en un paquete 0612, un conjunto de capacitores de cuatro elementos W3A, como el W3A43C104K4Z2A, puede soportar tensiones mecánicas y térmicas al tiempo que ofrece un importante ahorro de espacio en la placa. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

La amplia gama de capacitores de Kyocera AVX con certificación AEC-Q200 satisface requisitos cada vez más diversos; sin embargo, las arquitecturas más avanzadas y de mayor voltaje de los vehículos eléctricos añaden requisitos para una protección sólida de los circuitos.

Protección de componentes electrónicos sensibles en el duro entorno del automóvil

Los varistores multicapa TransGuard con calificación AEC-Q200 de Kyocera AVX están diseñados para ofrecer una protección sólida, proporcionando protección bidireccional contra sobretensiones para salvaguardar la electrónica sensible del automóvil. También ofrecen la atenuación de interferencias electromagnéticas (EMI) e interferencias de radiofrecuencia (RFI) necesaria para mitigar la distorsión de la señal y cumplir los requisitos normativos. Al proporcionar protección bidireccional contra sobretensiones, estos componentes funcionan de forma similar a los diodos zener espalda con espalda, pero con un tiempo de respuesta inferior a 1 nanosegundo (ns) (Figura 4), lo que les permite contrarrestar los eventos de sobretensión con mayor rapidez.

Figura 4: Aunque los varistores TransGuard funcionan de forma similar a los diodos zener espalda con espalda, presentan un tiempo de conexión significativamente más rápido, lo que garantiza una respuesta rápida a los eventos de sobretensión. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Los miembros de la familia TransGuard cumplen un amplio conjunto de requisitos de rendimiento en cuanto a alta fiabilidad, manejo de corrientes elevadas y alta absorción de energía. Para muchas aplicaciones de bajo consumo, como la protección de sistemas de sensores, el VCAS040205X150WP ofrece una solución eficaz con su tensión de trabajo de corriente continua (VCC) de 5.6 voltios, tensión de bloqueo de 18 voltios y corriente de sobretensión de 20 amperios (A) a una temperatura de funcionamiento de -55 °C a +125 °C. Para aplicaciones de alta energía y alta temperatura bajo el capó y en otros lugares, el VGAH322026Z570DP cumple los requisitos con sus valores nominales de corriente de sobretensión de 1.8 kiloamperios (kA) y energía de 13 julios (J) en un rango de funcionamiento de +55 °C a +150 °C. La serie TransGuard FLEXITERM proporciona dispositivos con una amplia gama similar de características de protección, junto con una sólida protección contra la tensión mecánica y el desajuste térmico.

Para ayudar a los desarrolladores a proteger los circuitos de automoción en aplicaciones sensibles a la temperatura o en ubicaciones de alta temperatura, la familia de termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) de Kyocera AVX con calificación AEC-Q200 admite una amplia gama de requisitos de rendimiento y fabricación a través de múltiples series, entre las que se incluyen:

• Serie NB, que incluye termistores SMT para soldadura sin plomo
• Serie NC, que incluye termistores SMT para montaje híbrido
• Series ND03 y NJ28, compuestas por termistores con plomo

Para la detección de temperatura de alta precisión, los miembros de la familia, como el termistor con plomo NJ28PA0203F, proporcionan la tolerancia ajustada requerida y los cambios bruscos de resistencia con la temperatura. Para aplicaciones de control o compensación de temperatura, componentes como el NC20R00105JBA pueden proporcionar la detección estable necesaria en un amplio rango de temperaturas.

Habilitar el vehículo conectado

Dado que la conectividad inalámbrica entre vehículos y dentro de ellos es cada vez más esencial, las antenas RF de la serie A de Kyocera AVX satisfacen los requisitos emergentes de múltiples tecnologías de conectividad y anchos de banda (Figura 5).

Figura 5: Las antenas RF de la serie A ofrecen una solución estándar para la creciente demanda de diversas opciones de conectividad en múltiples subsistemas de automoción. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Diseñadas para facilitar la implantación y agilizar la comercialización, estas antenas son compatibles con las principales tecnologías de conectividad para comunicaciones personales, redes de datos, sistemas de seguridad y navegación con dispositivos como los siguientes:

• Antena de banda ancha AP822601 para conectividad móvil, Wi-Fi e industrial, científica y médica (ISM)
• Antena A9002137 del sistema mundial de navegación por satélite (GNSS) compatible con las frecuencias más utilizadas para la navegación personal y comercial
• Antena A9001978 para conectividad Wi-Fi de doble banda, Bluetooth o banda ultraancha (UWB)

Aunque la norma AEC-Q200 no cubre explícitamente los productos de antena, las antenas de RF de la serie A se someten a rigurosas pruebas, siguiendo los requisitos y procedimientos descritos en la norma, para ofrecer a los desarrolladores el nivel de fiabilidad y rendimiento necesario para los sistemas de automoción.

Conclusión

A medida que la industria del automóvil avanza rápidamente hacia vehículos con mayor contenido electrónico, los diseñadores necesitan componentes que ofrezcan mayor rendimiento, fiabilidad, seguridad y conectividad en entornos cada vez más compactos y exigentes. Kyocera AVX ayuda a superar estos desafíos con una amplia gama de capacitores, dispositivos de protección de circuitos y antenas de RF que cumplen la norma AEC-Q200.