Selección de inductores de alimentación por cable coaxial para ADAS y sistemas de infoentretenimiento

Los diseñadores de sistemas automovilísticos recurren cada vez más a las arquitecturas Power over Coax (PoC) para suministrar energía y datos a alta velocidad a través de un solo cable. Este enfoque reduce el volumen del cableado y simplifica el diseño del sistema, especialmente en subsistemas con un uso intensivo de datos, como los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), los sistemas de infoentretenimiento y los sistemas de propulsión controlados por sensores. Sin embargo, la implementación de un circuito PoC bias-T fiable requiere una selección cuidadosa del inductor para gestionar las demandas contrapuestas de potencia y suministro de datos.

En este artículo, se brinda una descripción general del diseño del circuito PoC bias-T. A continuación, presenta los inductores PoC para aplicaciones automovilísticas de Murata y muestra cómo ayudan a los diseñadores a optimizar los circuitos bias-T para sistemas de propulsión, seguridad vehicular y sistemas de infoentretenimiento. También se describirán dos útiles herramientas para seleccionar inductores.

La importancia del diseño de circuitos T de polarización para PoC en automoción

Los circuitos Bias-T desempeñan un papel crucial en los sistemas PoC al separar la alimentación de CC de las señales de datos de alta velocidad. Una aplicación PoC típica en automoción utiliza cables coaxiales para conectar sensores y unidades de control, con circuitos bias-T en cada extremo que gestionan las rutas de alimentación y señal (Figura 1). Los inductores de estos circuitos bloquean las señales de alta frecuencia para mantener limpia la fuente de alimentación, mientras que los capacitores evitan que el voltaje de CC llegue a los módulos serializadores/deserializadores (SerDes) sensibles.

Figura 1: Una aplicación PoC típica utiliza circuitos bias-T en cada extremo de un cable coaxial para separar la alimentación de CC de las señales de datos de alta velocidad. (Fuente de la imagen: Murata)

El diseño de la parte inductiva de un circuito bias-T requiere una atención minuciosa a los detalles. Para evitar fugas de señal en la línea eléctrica, el inductor debe mantener una alta impedancia en un amplio rango de frecuencias. Si esta impedancia es inadecuada, la energía residual de la señal puede provocar fluctuaciones de potencia que degraden el rendimiento del sistema.

En la práctica, un solo inductor puede no proporcionar un bloqueo de señal suficiente en todas las frecuencias de interés. Como resultado, los diseñadores suelen emplear múltiples inductores, junto con sus correspondientes resistencias y capacitores, para suprimir las antirresonancias. Las antirresonancias son bandas estrechas de frecuencia en las que la impedancia desciende y el filtrado deja de ser eficaz. Estos efectos surgen de la interacción de múltiples componentes con diferentes respuestas de frecuencia.

Desafíos en el diseño de circuitos PoC bias-T

Aunque las configuraciones con múltiples inductores pueden ampliar el rango de bloqueo de un circuito bias-T, también introducen complejidad, ya que cada inductor añadido aumenta el riesgo de antirresonancia. La gestión de estas interacciones requiere resistencias y condensadores adicionales, lo que aumenta aún más el número de componentes y el esfuerzo de diseño.

Para reducir esta complejidad, los diseñadores suelen intentar minimizar el número de inductores necesarios. Un único inductor de amplio ancho de banda reduce la probabilidad de efectos antirresonancia, mejora la consistencia del filtrado y ayuda a ahorrar un valioso espacio en la placa. Esto último es fundamental en los subsistemas compactos de automoción.

La dificultad radica en seleccionar un inductor con la combinación adecuada de impedancia, respuesta de frecuencia y otras características eléctricas. Esto supone un desafío, en parte porque las aplicaciones PoC tienen requisitos muy diversos. Los sistemas de propulsión, ADAS y de infoentretenimiento tienen diferentes combinaciones de demandas de suministro de potencia y ancho de banda de datos, y existe una variación considerable entre los requisitos de aplicación dentro de cada una de estas categorías.

Un enfoque de inductor único para el diseño de circuitos PoC bias-T

Para cubrir estas necesidades, Murata ha desarrollado una familia de inductores diseñados específicamente para circuitos PoC bias-T para automoción. La familia abarca una amplia gama de características de rendimiento, lo que proporciona a los diseñadores la flexibilidad necesaria para satisfacer las necesidades de diversas aplicaciones.

Cada solución de esta familia ofrece una alta impedancia en un amplio rango de frecuencias, una característica de rendimiento que antes requería múltiples inductores para lograrla. Esta característica permite bloquear eficazmente la señal y minimizar el tamaño y la complejidad del circuito bias-T. Las características adicionales que respaldan los objetivos de diseño automotriz incluyen:

• Intensidades nominales de hasta 1 amperio (A): Adecuado para alimentar cargas de alta corriente, como sensores y actuadores en sistemas de propulsión y ADAS.
• Alta saturación de corriente: mantiene la inductancia bajo carga, evitando la degradación del rendimiento en presencia de campos magnéticos intensos.
• Baja resistencia de CC: reduce las pérdidas al separar la alimentación y la señal, mejorando la eficiencia energética general.
• Construcción blindada: minimiza las interferencias electromagnéticas (EMI) y garantiza el funcionamiento fiable de los circuitos circundantes.
• Un formato compacto: ahorra espacio en la placa y permite su uso en diseños automovilísticos densos.
• Rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C: admite el rendimiento en entornos automovilísticos adversos.
• Certificación AEC-Q200 y conformidad con la normativa RoHS: cumple con los estándares automovilísticos y medioambientales.

En conjunto, estas características hacen que la familia de inductores PoC de Murata sea ideal para una amplia gama de aplicaciones, entre las que se incluyen los sistemas de seguridad para automóviles, el infoentretenimiento y el control del tren motriz.

Inductor PoC para aplicaciones en sistemas de propulsión

Los subsistemas del tren motriz suelen implicar comunicaciones controladas por sensores con velocidades de datos relativamente bajas. Para estas aplicaciones, una solución de alta inductancia como la LQW43FT180M0HL (Figura 2) puede ayudar a garantizar un suministro de energía estable. La clasificación de 18 µH de este dispositivo proporciona una alta impedancia a bajas frecuencias, bloqueando eficazmente el contenido de señales no deseadas. Este rendimiento se mantiene gracias a su frecuencia de autorresonancia de 40 MHz, que se ajusta bien al rango de frecuencias de los flujos de datos típicos del tren motriz.

Figura 2: El LQW43FT180M0HL es un inductor compacto y de amplio ancho de banda que cumple la función de varios inductores dentro de los circuitos PoC bias-T para automoción. (Fuente de la imagen: Murata)

El inductor tiene una potencia nominal de 600 miliamperios (mA), lo que lo hace adecuado para muchos subsistemas periféricos dentro del tren de potencia. Su baja resistencia CC de 160 mΩ ayuda a minimizar la pérdida de potencia, mientras que el paquete 1812, con unas dimensiones de 4.5 mm × 3.2 mm × 3.7 mm, ofrece una alternativa compacta a los diseños con múltiples inductores.

Inductor PoC para aplicaciones ADAS

Las aplicaciones ADAS deben gestionar velocidades de datos significativamente más altas procedentes de sensores, como cámaras de alta resolución. El LQW32FT2R2M0HL (Figura 3) es una solución de inductancia media de 2.2 µH diseñada para este fin. Su frecuencia de autorresonancia de 200 MHz permite un bloqueo eficaz de la señal para comunicaciones de gran ancho de banda.

Figura 3: El LQW32FT2R2M0HL está diseñado para aplicaciones PoC y ofrece alta potencia y altas velocidades de datos. (Fuente de la imagen: Murata)

Además de las altas velocidades de datos, los subsistemas ADAS suelen tener importantes requisitos de potencia. La potencia nominal de 1 A de este inductor está diseñada para satisfacer estas necesidades de mayor potencia, incluidos los sensores LiDAR o los actuadores utilizados en los sistemas automáticos de mantenimiento de carril. Está alojado en un paquete 1210 que mide 3.2 mm × 2.5 mm × 2.5 mm.

Inductor PoC para aplicaciones de infoentretenimiento

Los sistemas de infoentretenimiento suelen funcionar a altas velocidades de datos, pero consumen relativamente poca energía. El LQW21FT2R0M0HL (Figura 4) ofrece una solución compacta adaptada a estas necesidades. Con una inductancia de 2 µH y una frecuencia de autorresonancia de 230 MHz, proporciona un bloqueo eficaz de la señal en el rango de frecuencias utilizado habitualmente por los flujos de datos de audio, video y navegación de alta velocidad.

Figura 4: El LQW21FT2R0M0HL es compatible con PoC para automóviles con alta velocidad de datos. (Fuente de la imagen: Murata)

El inductor tiene una potencia nominal de 400 mA, lo que lo hace adecuado para terminales de baja potencia, como pantallas de infoentretenimiento y módulos de control multimedia. Se presenta en un paquete 0805 que mide solo 2.0 mm × 1.2 mm × 1.8 mm, lo que lo hace ideal para aplicaciones en las que el espacio en la placa es limitado.

Herramientas útiles para seleccionar inductores T de polarización

El diseño y la caracterización de un circuito bias-T pueden resultar complejos, especialmente cuando se trata de equilibrar el rendimiento eléctrico con el tamaño y las limitaciones del sistema. Para agilizar el proceso, Murata ofrece dos herramientas en línea gratuitas que ayudan a los ingenieros a evaluar y seleccionar los inductores adecuados para aplicaciones PoC.

La primera es la herramienta de diseño de inductores Bias-T (Figura 5). Esta herramienta permite a los diseñadores introducir parámetros como la corriente continua, la temperatura ambiente y las características del cable, lo que les permite generar una configuración completa de bias-T. La herramienta recomienda automáticamente inductores junto con resistencias y capacitores adecuados, y también proporciona gráficos de rendimiento simulados, incluidos parámetros S y curvas de impedancia, para obtener una visión más profunda del comportamiento del circuito.

Figura 5: La herramienta de diseño de inductores Bias-T agiliza la selección de inductores PoC para automoción y la caracterización de circuitos Bias-T. (Fuente de la imagen: Murata)

Además de simular el circuito bias-T, los menús desplegables permiten a los usuarios seleccionar criterios de referencia específicos para los cálculos, incluidos diferentes protocolos de comunicación y parámetros de cable. También se incluye una opción para tener en cuenta las capacitancias parásitas, lo que permite comprender mejor el rendimiento en condiciones reales.

Para una exploración más general, la herramienta de selección de inductores de Murata (Figura 6) cuenta con una función de búsqueda por número de pieza y la posibilidad de filtrar por aplicación, características eléctricas y tamaño. Una vez realizada la selección, el usuario puede simular las características de frecuencia del inductor, así como los parámetros S para configuraciones en serie y en derivación. Esto elimina el tiempo dedicado a buscar en hojas de datos y páginas de productos para encontrar los componentes adecuados.

Figura 6: La herramienta de selección de inductores permite evaluar rápidamente el rendimiento de los inductores para una amplia gama de aplicaciones. (Fuente de la imagen: Murata)

Conclusión

El desafío que supone diseñar un circuito T de polarización complejo para PoC puede simplificarse considerablemente utilizando los inductores de amplio ancho de banda de Murata, cada uno de los cuales puede sustituir a un circuito que antes requería múltiples componentes, lo que permite ahorrar espacio y aumentar la estabilidad del sistema. Al proporcionar una familia de inductores específicos para cada aplicación y potentes herramientas de diseño en línea, Murata elimina importantes barreras, lo que facilita a los ingenieros el desarrollo y la adopción de la tecnología PoC.