Tendencias en Electrónica Automotriz en 2021 y Qué Esperar en el Futuro

CES 2021 nos trajo una serie de gadgets futuristas para vehículos y conceptos de vehículos interesantes, y se espera que el próximo show de CES 2022 no decepcione. La electrónica en estos vehículos refleja tendencias más amplias en la electrónica automotriz que los fabricantes de automóviles, OEMs, diseñadores de electrónica de posventa y consumidores no pueden ignorar. Las PCBs son la columna vertebral de la electrónica automotriz, y la proporción de los costos de electrónica actualmente ocupa ~40% del costo de un coche nuevo. Se espera que esto alcance el 50% para 2030, justo en el momento en que se proyecta que los automóviles de consumo sean parcial o totalmente autónomos. Si pudieras mirar bajo el capó de un Chevy de los años 50, sería difícil imaginar que la industria automotriz ha llegado tan lejos.

No es solo el número de componentes electrónicos lo que se espera que siga aumentando, también es la complejidad de estos sistemas, tanto en términos de hardware como de software integrado. Debajo de estas estadísticas hay varias tendencias en electrónica automotriz que impulsarán las necesidades de componentes para OEMs y diseñadores de posventa. Veamos cómo estas tendencias están influyendo en el panorama de los sistemas electrónicos para automóviles nuevos y futuros.

Principales Tendencias en Electrónica Automotriz

La tendencia más prominente con la que todos están familiarizados es la actual escasez de chips automotrices, que desafortunadamente se ha extendido a casi todas las demás áreas de la industria electrónica. La electrónica automotriz abarca múltiples áreas de aplicación, que van desde la potencia hasta la detección y las comunicaciones inalámbricas.

Gestión de Energía para Vehículos Eléctricos

A medida que la infraestructura en países económicamente avanzados cambia, y a medida que se desarrollan nuevos sistemas de baterías, podemos seguir esperando vehículos eléctricos con mayor autonomía y tiempos de carga más rápidos. Todo esto depende de sistemas de gestión de energía más avanzados, que se basan en una gama de componentes fundamentales. Estos componentes no son necesariamente altamente integrados como SoCs simplemente porque necesitan manejar tanta energía, pero los sistemas de alta potencia aún pueden necesitar operar con componentes discretos en módulos dedicados.

Algunos de los principales sistemas de potencia que aparecen en vehículos eléctricos incluyen:

• BMS inalámbrico para gestionar la distribución de carga en paquetes de baterías de VE, así como monitorear las baterías y comunicar datos de vuelta a las unidades de control.

• Emergencia de tecnologías V2G y carga bidireccional en vehículos eléctricos en estaciones de carga.

• Uso de semiconductores más avanzados con alta temperatura de operación y alta conductividad térmica para MOSFETs de potencia.

Algunos componentes típicos que necesitarán ser utilizados en estos sistemas de gestión de energía incluyen una gama de componentes para bucles de sensado y control, como amplificadores de detección de corriente. Dado que los vehículos eléctricos (VE) operan con paquetes de baterías a alta tensión, los componentes para protección contra descargas electrostáticas (ESD) también son esenciales para proteger los circuitos. Se están utilizando CI de gestión de potencia integrados con múltiples reguladores (ver el MC33PF8200A0ES de NXP a continuación) para controlar estos sistemas, así como procesadores calificados para automoción y un conjunto de ASICs.

El procesador de aplicación MC33PF8200A0ES de NXP proporciona una solución integrada de gestión de energía para automóviles.

En cuanto a los FET de potencia que necesitan funcionar a alta potencia para la gestión de carga/descarga, SiC y GaN-SiC son plataformas de materiales ideales para estos componentes de conmutación. En particular, el SiC es un semiconductor de banda prohibida indirecta amplia (banda prohibida de 3.3 eV) que proporciona bajas pérdidas durante la conversión de potencia a una frecuencia de conmutación relativamente baja. También tiene una alta conductividad térmica en comparación con el Si, lo que lo hace un material ideal para tareas de conversión de alta potencia en vehículos eléctricos. Aunque estos componentes fueron originalmente desarrollados para aplicaciones de potencia RF, como en la nueva infraestructura móvil, son igualmente útiles en aplicaciones de potencia para vehículos eléctricos. De hecho, el primer FET de GaN calificado para automoción con un controlador integrado fue anunciado el año pasado, y otras compañías han seguido su ejemplo con sus propios componentes.

Redes de Infraestructura Inteligente y Vehicular

Los coches nuevos están procesando más datos que nunca, y la cantidad de datos que utilizan solo aumentará. La red vehicular en automóviles de consumo actualmente está por debajo de 1 Gbps sobre Ethernet, pero el Ethernet de gigabit en el vehículo y los dispositivos conectados de forma inalámbrica dentro del vehículo cambiarán la forma en que los datos son recopilados y manejados por los vehículos, así como la experiencia del conductor. La red vehicular y la red de infraestructura inteligente son ambas enormes oportunidades para los automóviles nuevos y son vistas como un nuevo mercado en crecimiento por la industria automotriz. Solo la red vehicular se proyecta para convertirse en un mercado de $1.5 mil millones para 2026, lo cual será facilitado por un conjunto de procesadores integrados y SoCs.

El CC2541-Q1 de Texas Instruments está calificado para automoción y es parte de la plataforma SimpliLink para productos IoT.

Implementar tecnologías inalámbricas va más allá de conectar conductores e infotenimiento con Bluetooth. Además de los diseños de BMS inalámbricos mencionados anteriormente, existe la motivación para implementar conexiones inalámbricas en otras áreas de un vehículo. Las unidades de control electrónico (ECUs) a menudo necesitan colocarse muy cerca de los sensores y actuadores con los que interactuarán. El resultado es la necesidad de agregar cableado adicional para cada ECU añadida a un vehículo nuevo. Como resultado, el arnés de red en un automóvil moderno puede incluir miles de conexiones y abarcar miles de metros de longitud. Reemplazar interfaces cableadas con conexiones inalámbricas reduce el peso y la complejidad del sistema, y sigue el paradigma actual encontrado en vehículos conectados. Para habilitar sistemas ADAS más avanzados, vehículos autónomos y una gama de nuevos servicios originados dentro y fuera de un vehículo, los vehículos más nuevos también necesitarán conectarse entre sí, a sistemas de infraestructura inteligente e incluso a bicicletas y motocicletas. Los actuales estándares inalámbricos de vehículo a todo (V2X) basados en WLAN se basan en IEEE 802.11p, mientras que otras capacidades dependerán de los servicios celulares 4G existentes o del próximo 5G. Los componentes requeridos para estos sistemas incluyen lo siguiente:

• 4G/4G LTE, y transceptores, módems y módulos de antena 5G

• ICs de amplificador de potencia RF para canales Tx

• ICs transceptores RF operando en un rango de frecuencias (WiFi, DSRC, tuberías de doble banda hasta 5.9 GHz, etc.)

Hasta hace poco, había cierto debate sobre si el estándar 802.11p (conocido como comunicación de corto alcance dedicada, o DSRC) o celular se convertiría en el protocolo dominante para la interconexión entre vehículos. A partir de octubre de 2020, la FCC reasignó el espectro de 5.85 a 5.895 GHz a una banda sin licencia. El resto del espectro DSRC original fue asignado a los más nuevos C-V2X, que justo resulta estar estandarizado en la Release 14 de 3GPP. Esto efectivamente acabó con DSRC, dejando a C-V2X y los servicios habilitados por 5G como las tecnologías emergentes para vehículos conectados e infraestructura inteligente.

Despídete de 3G

Mi coche actual puede actuar como un punto de acceso WiFi y conectarse a mi servicio celular a través de 4G LTE/5G (comercializado como servicios de Coche Conectado), y el coche puede luego conectarse a mis dispositivos vía Bluetooth. A medida que el 5G continúa desplegándose, las capacidades de tus servicios celulares seguirán reflejándose en los automóviles nuevos. Un servicio que probablemente no estará disponible en los automóviles más nuevos son los servicios de navegación y seguridad basados en 3G. Las telecomunicaciones están programadas para apagar los servicios 3G que muchos coches utilizan para navegación, detección de choques, visualización de tráfico y servicios especializados como BMW Assist y OnStar. En cierto modo, esto es solo una repetición del desastre del apagón 2G de hace una década. Algunos operadores están mejor equipados para manejar la transición a nuevas tecnologías que otros, pero las compañías de automóviles han sido laxas en informar a los conductores cuando sus servicios de coche conectado se apagarán. Para los coches más nuevos, se espera ver un cambio continuo hacia tecnologías inalámbricas más nuevas para habilitar una experiencia de usuario de vanguardia.

El sistema OnStar es solo uno de los servicios habilitados para 3G que pronto dejará de estar disponible.

Sensores para ADAS Inteligentes

Algunos expertos dicen que pasará aproximadamente una década antes de que los consumidores puedan comprar un coche autónomo. Hay muchas razones para esto, que giran en gran medida en torno al desarrollo de un conjunto de algoritmos avanzados para el control y la toma de decisiones. Sin embargo, hay otros desafíos que deben resolverse a nivel de hardware. Luego están los desafíos regulatorios y la infraestructura necesaria para apoyar a los vehículos autónomos. Estos desafíos existen tanto dentro del vehículo, fuera del vehículo, como en relación con otros coches conducidos por humanos.

El panorama actual de sensores para ADAS implica alguna combinación de ultrasonidos, radar y cámaras, todos los cuales necesitan conectarse a una ECU. Lidar también puede volverse común en las redes de sensores ADAS ya que permite el mapeo de profundidad que no es posible con imágenes de cámaras. Lidar es interesante ya que no se limita al uso en automóviles, con la tecnología siendo útil para la detección e imagen en ciudades inteligentes en general. Aunque lidar no fue el principal foco de conversación en años pasados, las empresas aún lo están impulsando como parte de una solución avanzada para sistemas ADAS inteligentes ya que proporciona imágenes y mapeo de mayor resolución para apoyar a los sistemas de radar y visión en vehículos nuevos.

Los componentes requeridos para los sensores ADAS van más allá de los propios sensores e incluyen lo siguiente:

• Transceptores de radar y SoCs (24 GHz y 77 GHz)

• Componentes del sistema Lidar, incluyendo diodos láser pulsados

• ADCs multicanal y procesadores embebidos para la fusión de sensores

• Componentes para cámaras personalizadas, incluyendo módulos de sensores CCD/CMOS

Algunos sensores y sus componentes de apoyo pueden necesitar comunicarse entre sí a través de interfaces digitales estándar (I2C, SPI, CANBus, etc.), mientras que los sensores analógicos pueden usar una interfaz estándar de 0/5 V/4-20 mA (por ejemplo, sensores ambientales).

Potencia de Procesamiento

Los coches actuales contienen más de 100 ECUs, y se espera que este número solo aumente. A medida que la cantidad de datos recopilados y procesados en los automóviles aumenta, las ECUs y otros módulos en el sistema requerirán más potencia de procesamiento en forma de MCUs y FPGAs de grado automotriz. El tamaño exacto, la velocidad y la ubicación de estos componentes aún es una pregunta abierta. Dada la tendencia hacia la integración vista en el mercado de IC especializados, esperaría que muchos fabricantes comiencen a ofrecer y/o comercializar SoCs específicos para automoción que integren un MCU.

La gama de servicios inalámbricos, sistemas de gestión de energía y potencia de procesamiento requerida para los nuevos vehículos debería revelar el complicado panorama de la electrónica en los vehículos nuevos. Es imposible mantenerse al día con todas las tendencias de la electrónica automotriz, pero los diseñadores que necesitan seleccionar componentes para estos sistemas pueden obtener una visión completa de la cadena de suministro con un potente motor de búsqueda de electrónica. Es probable que los fabricantes de chips respondan con SoCs especializados, similares a los de productos IoT y móviles, y puedes encontrar estos y otros componentes especializados para vehículos nuevos con el motor de búsqueda adecuado.

Si estás desarrollando nuevas soluciones para la industria automotriz, tu primer lugar para comenzar a buscar componentes es un potente motor de búsqueda de electrónica. Octopart ofrece una solución completa para la gestión de la cadena de suministro y la selección de componentes, incluyendo características de filtración avanzadas para ayudarte a seleccionar exactamente los componentes que necesitas. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para comenzar tu búsqueda de los componentes que necesitas.

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