Los conectores especiales ofrecen conectividad USB-C compatible con la automoción

El conector USB Type-C (Universal Serial Bus) ha estandarizado y simplificado las conexiones entre dispositivos de consumo masivo. Los diseñadores de sistemas de automoción también pueden beneficiarse del uso de USB-C para funciones de alta velocidad no relacionadas con la seguridad, como el infoentretenimiento. Sin embargo, los conectores USB-C convencionales adaptados para aplicaciones de consumo no tienen las características de resistencia, fiabilidad y seguridad necesarias para el entorno del automóvil.

Este artículo ofrece una breve introducción a USB-C y a los desafíos a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de integrar USB-C en los diseños de automoción. A continuación, se presentan los conectores USB-C de Hirose que los diseñadores pueden utilizar para hacer frente a estos desafíos.

La evolución del USB

Con el factor de forma básico Tipo A, USB ha desplazado a muchos buses heredados, como el puerto paralelo y RS-232, en aplicaciones de consumo, instrumentación de prueba e incluso industriales. Esto se debe a su facilidad de uso "conectar y usar", su bajo costo, su pequeño tamaño, su rapidez y sencillez para enchufar y desenchufar, su capacidad para manejar tanto señales eléctricas como digitales y su amplia compatibilidad con otros proveedores. Las versiones USB-C mejoradas aportaron un menor tamaño físico, velocidades más rápidas, mayor capacidad de manejo de energía y conectores reversibles.

USB-C ha tenido tanto éxito que ha sido obligatorio para todos los nuevos smartphones y pequeños dispositivos de consumo, lo que ha dado lugar a volúmenes extremadamente altos y a una mayor interoperabilidad de los dispositivos. El tamaño estándar de USB-C es de 8.4 mm × 2.6 mm con 24 pines. El cuerpo y las clavijas son simétricos (reversibles); no hay necesidad de un enchavetado mecánico arriba/abajo. También puede utilizarse para la transmisión de datos y la carga simultáneas. Su función de expansión puede admitir el modo DisplayPort Alt y adaptadores y puentes HDMI para transmitir datos de audio y video.

Estas características son beneficiosas para los diseñadores de sistemas de entretenimiento para automóviles. En este sentido, USB-C también ofrece la posibilidad de reducir costos, aumentar la comodidad y reducir el peso en comparación con otras opciones de conectividad, así como un amplio ecosistema de recursos USB existentes.

Aunque el USB-C para aplicaciones de automoción es prometedor, los diseñadores se enfrentan a vibraciones y fluctuaciones de temperatura extremas, elevadas interferencias electromagnéticas (EMI) y fallos potencialmente peligrosos debidos a desajustes en los cables y conectores USB.

USB-C para el automóvil

En respuesta a la necesidad de conectores adecuados, Hirose ha presentado la serie AU1 de conectores USB-C que cumplen los requisitos exclusivos del entorno de la automoción. Los conectores de esta serie sirven de puente entre las conexiones de dispositivos internos y externos, y admiten estándares como USB 3.2 Gen2, DisplayPort 1.4 y HDMI. Están construidos y funcionan a la perfección con la serie CX de Hirose existente como base (Figura 1).

Figura 1: La serie AU1 de conectores USB-C compatibles con automóviles (abajo) utiliza la serie CX (arriba) como elemento básico. (Fuente de la imagen: Hirose)

Esta innovadora combinación permite transferencias de datos constantes a alta velocidad de 20 Gbits/s (USB 3.2 Gen 2×2), niveles de potencia de 240 W (Rango de potencia extendida USB Power Delivery 3.1 (48 V, 5 A)) y conectividad fiable en todo el sistema de infoentretenimiento, lo que admite funciones avanzadas y una integración perfecta del sistema.

Los conectores de la serie AU1 ofrecen un acoplamiento seguro, resistencia a las vibraciones y al calor, y un rendimiento fiable en entornos exigentes. De este modo, la serie permite utilizar este popular tipo de conector en un entorno mucho más exigente que aquel para el que fue concebido originalmente.

Los conjuntos de conectores de esta serie admiten orientaciones rectas y en ángulo recto (figura 2). Esto proporciona a los diseñadores flexibilidad en el tendido de cables dentro del estrecho entorno de la automoción.

Figura 2: Los conectores de la serie AU1 admiten disposiciones rectas y en ángulo recto; una placa de demostración muestra los conectores en uso. (Fuente de la imagen: Hirose)

Garantizar un acoplamiento seguro, preciso y correcto

Estos conectores presentan características exclusivas, como la unidad Garantía de posición del conector (CPA) y la codificación. La unidad CPA permite un acoplamiento seguro y preciso. Su cierre accionado con el dedo (figura 3) proporciona un emparejamiento mecánico seguro y emite un clic audible que confirma al usuario que la acción de cierre se ha realizado correctamente.

Figura 3: La unidad CPA se asegura de que el conector de acoplamiento quede totalmente encajado y, a continuación, se bloquea y se mantiene en su sitio hasta que se desengancha deliberadamente. (Fuente de la imagen: Hirose)

En funcionamiento, la unidad CPA no puede moverse hasta que se haya completado el acoplamiento. Una vez que la clavija está totalmente encajada, el receptáculo empuja hacia abajo la unidad CPA, moviéndola a la posición de bloqueo, lo que indica que está encajada según lo previsto. Para desacoplarlo, el usuario tira de la unidad CPA para liberar el cierre secundario; al soltarlo se percibe un clic.

Si hay alguna desalineación axial o radial, las mitades no encajarán, alertando al usuario de un acoplamiento incorrecto. Estos conectores soportan más de 10,000 ciclos de acoplamiento, mucho más que cualquier uso previsto en el sector de la automoción.

La codificación ayuda a evitar el acoplamiento del cable incorrecto con la mitad de acoplamiento de destino. Como se ha mencionado, una de las características convenientes de los cables USB-C de consumo es que son reversibles. Esto también significa que no tienen ninguna clave o forma de identificar físicamente qué extremo del enchufe va a cada receptáculo. La ausencia de llaves es una ventaja en el mundo de las aplicaciones de consumo en las que basta con enchufar y desenchufar un cable. Sin embargo, las aplicaciones de automoción son más propensas a ser situaciones de "enchufar y listo", y existe el riesgo de que se produzcan errores de cableado al instalar mazos de cables densos para automoción. En estos casos, un fallo de este tipo puede provocar frustración debido a un enlace que no funciona, posibles daños en los periféricos y un peligro potencial para el sistema y el usuario.

Para evitar el cableado incorrecto, la serie AU1 de conectores USB-C para automoción admite dos tipos de códigos de clave de interferencia física: un código estándar (negro) y un código de "clave A" (gris/natural) (Figura 4). Estas dos disposiciones clave ayudan a garantizar que, en el caso de dos cables y conectores adyacentes, los emparejamientos incorrectos sean físicamente imposibles. Las diferencias de color también ayudan a identificar los dos códigos clave.

Figura 4: Los usuarios pueden utilizar una de las dos disposiciones de llave mecánica para minimizar los errores de conexión de los cables; los conectores con una llave estándar son negros, mientras que los que tienen una "llave A" son grises (macho)/naturales (hembra). (Fuente de la imagen: Hirose)

Normas y rendimiento eléctrico

Los números definen las capacidades ambientales y eléctricas de estos conectores de Hirose. Desde el punto de vista medioambiental, funcionan en un rango de temperaturas de -40 °C a +105 °C. Además, son resistentes al agua y al polvo, con clasificaciones IP54, IP68 o IP69K, según el tipo de conector. IP69K es la más estricta de las tres contra la entrada de polvo y agua.

Los conectores cumplen las normas United States Council for Automotive Research (USCAR)-2 y USCAR-30 para garantizar su fiabilidad. USCAR-2 es una norma de rendimiento para sistemas de conectores eléctricos de automoción, que describe los requisitos para terminales, conectores y componentes en aplicaciones de vehículos de carretera de baja tensión. USCAR-30 es una especificación de rendimiento para sistemas de conexión USB de automoción, que cubre los requisitos para conectores USB, cables y la conexión eléctrica entre periféricos de consumo y una fuente informática USB en vehículos.

Eléctricamente, sus pines de alimentación (A4/A9/B4/B9 (VBUS)) tienen una potencia nominal de 1.25 A de acuerdo con la especificación USB-C, mientras que los pines que no son de alimentación tienen una potencia nominal de 0.25 A, todo ello a 20 V_CA y V_CC. La resistencia de contacto inicial es de 40 mΩ como máximo, aumentando ligeramente hasta no más de 50 mΩ tras una serie de pruebas de esfuerzo definidas por las normas.

Especificación y montaje del conector AU1

En la mayoría de los casos, un conector sencillo, como la clavija de línea de CA estándar del consumidor, viene completo y listo para usar, sin componentes especificados por el usuario. Sin embargo, una interconexión sofisticada como el conector AU1 consta de muchas piezas individuales (Figura 5). El diseñador puede encargar a medida algunas de estas piezas para adaptarlas a los requisitos de la aplicación.

Figura 5: Las piezas del conjunto completo del conector AU1 incluyen: 1) enchufe USB-C; 2) placa de circuito; 3) soporte de cables; 4) cable; 5) blindaje 1; 6) blindaje 2; 7) molde interior; 8) sobremolde; 9) carcasa y CPA; y 10) retenedor. (Fuente de la imagen: Hirose)

La figura 6 muestra algunos de los componentes que el usuario puede especificar. Entre ellos se incluyen (fila superior, de izquierda a derecha):

• La pantalla del conector AU1MS-24S-SLDA(805)
• El retenedor del conector AU1MS-24RS(805)
• La carcasa de cierre AU1MS-24S-HU/C(805) y CPA para un enchufe con una llave estándar negra (o la carcasa de cierre AU1MSA-24S-HU/C(805) y CPA con una llave A gris), junto con un retenedor, una caja de blindaje y una unidad de enchufe.
• La unidad interior del conector CX60-24S1-UNIT, también disponible por separado para los diseñadores que necesiten unidades de enchufe adicionales.

Un enchufe es solo la mitad de la historia del conector, ya que debe haber un receptáculo correspondiente. En el caso de los conectores USB-C de Hirose, los diseñadores pueden elegir entre estas dos versiones (Figura 6, fila inferior, de izquierda a derecha):

• El conector AU1FS-24P(805) con orificio pasante y receptáculo USB-C recto para fijar a una placa de circuito impreso (circuito CI).
• El conector en ángulo recto AU1FRA-24P(805)

Figura 6: Algunos de los componentes del conector que los usuarios pueden especificar incluyen (fila superior, de izquierda a derecha) el blindaje del conector AU1MS-24S-SLDA(805), el retenedor del conector AU1MS-24RS(805), la carcasa de bloqueo de pestillo AU1MS-24S-HU/C(805) y CPA para un enchufe con llave estándar negra, y el conector de enchufe de montaje a horcajadas CX60-24S1-UNIT; las opciones de receptáculo incluyen (fila inferior, de izquierda a derecha) el receptáculo USB-C recto con orificio pasante AU1FS-24P(805) y el receptáculo en ángulo recto AU1FRA-24P(805). (Fuente de la imagen: Hirose)

Conclusión

El conector USB-C ofrece atributos de rendimiento deseables en términos de facilidad de uso, velocidad y manejo de potencia. Sin embargo, el conector básico orientado al consumidor no es mecánicamente adecuado para los diseños de automoción. El conector de la serie AU1 utiliza la consolidada serie CX de Hirose como base para crear un conector Tipo C resistente y de alto rendimiento adecuado para aplicaciones de automoción que cumple las especificaciones y normas pertinentes del sector.