Spezialsteckverbinder bieten Automotive-kompatible USB-C-Verbindung

Der USB-Typ-C-Anschluss (Universal Serial Bus) hat die Verbindungen zwischen Massenmarkt-Geräten standardisiert und vereinfacht. Entwickler von Fahrzeugsystemen können auch von der Verwendung von USB-C für schnelle, nicht sicherheitsrelevante Funktionen wie Infotainment profitieren. Herkömmliche USB-C-Steckverbinder, die auf Verbraucheranwendungen zugeschnitten sind, verfügen jedoch nicht über die erforderliche Robustheit, Zuverlässigkeit und Sicherheitseigenschaften, die für die Automobilumgebung erforderlich sind.

Dieser Artikel bietet eine kurze Einführung in USB-C und die Herausforderungen, denen sich Entwickler bei der Integration von USB-C in Fahrzeugdesigns stellen müssen. Anschließend werden USB-C-Stecker von Hirose vorgestellt, mit denen Entwickler diese Herausforderungen meistern können.

Die Entwicklung von USB

Beginnend mit dem grundlegenden Typ-A-Formfaktor hat USB viele ältere Busse wie den parallelen Anschluss und RS-232 in Verbraucher-, Testinstrumenten- und sogar industriellen Anwendungen verdrängt. Dies liegt an der einfachen Plug&Play-Bedienung, den niedrigen Kosten, der geringen Größe, dem schnellen und einfachen Ein- und Ausstecken, der Fähigkeit, sowohl für die Stromversorgung als auch für die digitale Signalübertragung verwendet werden zu können, und der breiten Unterstützung durch die Hersteller. Die verbesserten USB-C-Versionen bieten eine geringere Größe, höhere Geschwindigkeiten, eine höhere Belastbarkeit und wendbare Anschlüsse.

USB-C war so erfolgreich, dass es für alle neuen Smartphones und kleinen Verbrauchergeräte vorgeschrieben wurde, was zu extrem hohen Stückzahlen und einer verbesserten Interoperabilität der Geräte führte. Die Standardgröße von USB-C beträgt 8,4 mm × 2,6 mm mit 24 Kontakten. Das Gehäuse und die Kontakte sind symmetrisch (wendbar); eine mechanische Verriegelung nach oben oder unten ist nicht erforderlich. Er kann auch zur gleichzeitigen Datenübertragung und Aufladung verwendet werden. Seine Erweiterungsfunktion unterstützt den DisplayPort-Alt-Modus sowie HDMI-Adapter und -Brücken zur Übertragung von Audio- und Videodaten.

Diese Eigenschaften sind für die Entwickler von Unterhaltungssystemen für Fahrzeuge von Vorteil. Hier bietet USB-C auch das Potenzial für niedrigere Kosten, höheren Komfort und geringeres Gewicht im Vergleich zu anderen Verbindungsoptionen sowie ein breites Ökosystem an bestehenden USB-Ressourcen.

Obwohl USB-C für Automobilanwendungen vielversprechend ist, sehen sich Entwickler mit extremen Vibrationen und Temperaturschwankungen, hohen elektromagnetischen Störungen (EMI) und potenziell gefährlichen Ausfällen aufgrund von Fehlanpassungen bei USB-Kabeln und -Steckern konfrontiert.

USB-C für die Automobilelektronik

Als Reaktion auf den Bedarf an geeigneten Steckverbindern hat Hirose die Serie AU1 von USB-C-Steckverbindern eingeführt, die die einzigartigen Anforderungen der Automobilumgebung erfüllen. Die Anschlüsse dieser Serie dienen als Brücke zwischen internen und externen Geräteverbindungen und unterstützen Standards wie USB 3.2 Gen2, DisplayPort 1.4 und HDMI. Sie sind so aufgebaut, dass sie nahtlos mit der bestehenden Serie CX von Hirose zusammenarbeiten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die AU1-Serie der automobilkompatiblen USB-C-Steckverbinder (unten) nutzt die CX-Serie (oben) als Baustein. (Bildquelle: Hirose)

Diese innovative Kombination ermöglicht eine konsistente Highspeed-Datenübertragungen von 20 Gbit/s (USB 3.2 Gen 2×2), eine Leistung von 240 W (USB Power Delivery 3.1 Extended Power Range (48 V, 5 A)) und eine zuverlässige Verbindung über das gesamte Infotainment-System, die erweiterte Funktionen und eine nahtlose Systemintegration unterstützt.

Die Steckverbinder der AU1-Serie zeichnen sich durch sichere Steckverbindungen, Vibrations- und Hitzebeständigkeit sowie zuverlässige Leistung in anspruchsvollen Umgebungen aus. Auf diese Weise ermöglicht die Serie den Einsatz dieses beliebten Steckertyps in einer wesentlich anspruchsvolleren Umgebung als der, für die er ursprünglich vorgesehen war.

Die Steckverbinderbaugruppen dieser Serie unterstützen gerade und rechtwinklige Ausrichtungen (Abbildung 2). Dies bietet den Entwicklern Flexibilität bei der Kabelverlegung in der eng begrenzten Automobilumgebung.

Abbildung 2: Die Steckverbinder der AU1-Serie unterstützen gerade und rechtwinklige Anordnungen; eine Demonstrationsplatine zeigt die Steckverbinder im Einsatz. (Bildquelle: Hirose)

Sicheres, genaues und korrektes Stecken

Diese Steckverbinder zeichnen sich durch einzigartige Merkmale aus, darunter eine Steckerlagesicherung (CPA) und Kodierung. Die CPA-Einheit unterstützt das sichere und genaue Stecken. Die mit dem Finger zu bedienende Verriegelung (Abbildung 3) sorgt für eine sichere mechanische Verbindung und gibt ein hörbares Klicken von sich, das dem Benutzer bestätigt, dass der Verriegelungsvorgang erfolgreich war.

Abbildung 3: Die CPA-Einheit stellt sicher, dass der Gegenstecker vollständig eingerastet ist und dann verriegelt und in seiner Position gehalten wird, bis er absichtlich gelöst wird. (Bildquelle: Hirose)

Im Betrieb kann sich die CPA-Einheit nicht bewegen, bis der Steckvorgang abgeschlossen ist. Sobald der Stecker vollständig eingerastet ist, drückt die Steckbuchse auf die CPA-Einheit und bewegt sie in die Verriegelungsposition, was bedeutet, dass sie wie vorgesehen eingerastet ist. Zum Lösen der Verbindung zieht der Benutzer an der CPA-Einheit, um die Sekundärverriegelung zu lösen; beim Lösen ist ein Klicken zu spüren.

Bei axialer oder radialer Fehlausrichtung rasten die Hälften nicht ein und warnen den Benutzer so vor einer falschen Verbindung. Diese Steckverbinder sind für mehr als 10.000 Steckzyklen ausgelegt, was weit über den erwarteten Einsatz in der Automobilumgebung hinausgeht.

Durch die Kodierung wird verhindert, dass ein falsches Kabel mit dem gewünschten Gegenstück verbunden wird. Wie bereits erwähnt, ist eine der praktischen Eigenschaften von USB-C-Kabeln für Verbraucher, dass sie wendbar sind. Das bedeutet auch, dass sie keine Kodierung oder Möglichkeit haben, physisch zu identifizieren, welches Steckerende zu welcher Buchse gehört. Der Wegfall der Kodierung ist ein Vorteil in der Welt der Verbraucheranwendungen, bei denen man einfach nur ein Kabel einstecken und abziehen muss. Bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen ist es jedoch wahrscheinlicher, dass es sich um bleibende Verbindungen handelt, und es besteht die Gefahr von Fehlverdrahtungen, wenn dichte Kabelbäume für Kraftfahrzeuge installiert werden. In diesen Fällen kann eine falsche Verbindung zu Frustration aufgrund einer nicht funktionierenden Verbindung, zu möglichen Schäden an den Peripheriegeräten und zu einer potenziellen Gefahr für das System und den Benutzer führen.

Um Fehlverdrahtungen zu vermeiden, unterstützt die AU1-Serie von USB-C-Steckverbindern in Automobilqualität zwei Arten von Schlüsselcodes für physikalische Interferenzen: einen Standardcode (schwarz) und einen „A-Schlüssel“-Code (grau/natur) (Abbildung 4). Diese beiden wichtigen Vorkehrungen tragen dazu bei, dass bei zwei benachbarten Kabeln und Steckern falsche Paarungen physikalisch unmöglich sind. Die Farbunterschiede helfen auch bei der Identifizierung der beiden Schlüsselcodes.

Abbildung 4: Benutzer können eine von zwei mechanischen Kodierungsanordnungen verwenden, um Kabelverbindungsfehler zu minimieren; Steckverbinder mit einem Standardschlüssel sind schwarz, während diejenigen mit einem „A-Schlüssel“ grau (Stecker)/naturfarben (Steckbuchse) sind. (Bildquelle: Hirose)

Normen und elektrische Performance

Normen definieren die Umwelt- und elektrischen Eigenschaften dieser Hirose-Steckverbinder. Was die Umweltbedingungen betrifft, so arbeiten sie in einem Temperaturbereich von -40°C bis +105°C. Darüber hinaus sind sie wasser- und staubdicht, je nach Steckertyp mit den Schutzklassen IP54, IP68 oder IP69K. IP69K ist die strengste der drei Schutzklassen gegen das Eindringen von Staub und Wasser.

Die Steckverbinder entsprechen den Normen des United States Council for Automotive Research (USCAR)-2 und USCAR-30 für gesicherte Zuverlässigkeit. USCAR-2 ist eine Leistungsnorm für elektrische Steckverbindersysteme in Kraftfahrzeugen, in der die Anforderungen an Klemmen, Steckverbinder und Komponenten für Niederspannungsanwendungen in Straßenfahrzeugen beschrieben werden. USCAR-30 ist eine Leistungsspezifikation für USB-Verbindungssysteme in Kraftfahrzeugen, die die Anforderungen an USB-Stecker, Kabel und die elektrische Verbindung zwischen Verbraucherperipheriegeräten und einer USB-Computerquelle in Fahrzeugen abdeckt.

Die Stromversorgungspins (A4/A9/B4/B9 (VBUS)) sind gemäß der USB-C-Spezifikation für 1,25 A ausgelegt, während die Nicht-Stromversorgungspins für 0,25 A ausgelegt sind, alle bei 20 V_AC und V_DC. Der anfängliche Kontaktwiderstand beträgt maximal 40 mΩ und steigt nach einer Reihe von Belastungstests, die in den Normen festgelegt sind, leicht auf maximal 50 mΩ an.

Spezifikation und Montage des AU1-Steckverbinders

Ein einfacher Steckverbinder, wie z. B. der Standard-Wechselstromstecker, wird in den meisten Fällen komplett und einsatzbereit geliefert, ohne dass der Benutzer spezielle Komponenten benötigt. Eine anspruchsvolle Verbindung wie der AU1-Steckverbinder besteht jedoch aus vielen Einzelteilen (Abbildung 5). Der Entwickler kann einige dieser Teile nach Maß bestellen, um sie den Anforderungen der Anwendung anzupassen.

Abbildung 5: Die Teile der kompletten AU1-Steckverbinderbaugruppe umfassen: 1) USB-C-Stecker; 2) Leiterplatte; 3) Drahthalter; 4) Kabel; 5) Abschirmung 1; 6) Abschirmung 2; 7) Innenform; 8) Oberform; 9) Gehäuse und CPA; und 10) Halterung. (Bildquelle: Hirose)

Abbildung 6 zeigt einige der Komponenten, die der Benutzer spezifizieren kann. Dazu gehören (obere Reihe, von links nach rechts):

• Die Abschirmung AU1MS-24S-SLDA(805) des Steckverbinders
• Die Steckverbinderhalterung AU1MS-24RS(805)
• Das Verriegelungsgehäuse mit CPA AU1MS-24S-HU/C(805) für einen Stecker mit einem schwarzen Standardschlüssel (oder das Verriegelungsgehäuse mit CPA AU1MSA-24S-HU/C(805) mit einem grauen A-Schlüssel), zusammen mit einer Halterung, einem Abschirmgehäuse und einer Steckereinheit
• Der Stecker CX60-24S1-UNIT für die Spreizmontage im Inneren der Einheit ist auch als separater Artikel für Entwickler erhältlich, die zusätzliche Steckereinheiten benötigen

Ein Stecker ist allerdings nur die halbe Miete, denn es muss auch eine passende Buchse vorhanden sein. Bei den USB-C-Steckverbindern von Hirose können Entwickler zwischen diesen beiden Versionen wählen (Abbildung 6, untere Reihe, von links nach rechts):

• Die gerade USB-C-Steckbuchse AU1FS-24P(805) für die Durchkontaktierung zur Befestigung an einer Leiterplatte
• Die rechtwinklige Steckbichse AU1FRA-24P(805)

Abbildung 6: Einige der Steckverbinderkomponenten, die Benutzer spezifizieren können, umfassen (obere Reihe, von links nach rechts) die Steckverbinderabschirmung AU1MS-24S-SLDA(805), die Steckverbinderhalterung AU1MS-24RS(805), das Gehäuse mit Verriegelung und CPA AU1MS-24S-HU/C(805) für einen Stecker mit schwarzem Standardschlüssel und den Stecker CX60-24S1-UNIT für die Spreizmontage; Zu den Buchsenoptionen gehören (untere Reihe, von links nach rechts) die gerade USB-C-Buchse AU1FS-24P(805) für die Durchkontaktierung und die rechtwinklige Steckbuchse AU1FRA-24P(805). (Bildquelle: Hirose)

Fazit

Der USB-C-Steckverbinder bietet wünschenswerte Leistungsmerkmale in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit, Geschwindigkeit und Leistungsaufnahme. Der grundlegende verbraucherorientierte Steckverbinder ist jedoch mechanisch nicht für Automobilkonstruktionen geeignet. Der Steckverbinder der AU1-Serie nutzt die bewährte CX-Serie von Hirose als Grundlage, um einen robusten, leistungsstarken Typ-C-Steckverbinder zu schaffen, der für Automobilanwendungen geeignet ist und die relevanten Industriespezifikationen und -standards erfüllt.