Tendências de Eletrônicos Automotivos em 2021 e o Que Esperar no Futuro

O CES 2021 nos trouxe uma série de gadgets futuristas para veículos e conceitos interessantes de veículos, e a próxima edição do CES 2022 promete não decepcionar. A eletrônica desses veículos reflete tendências mais amplas da eletrônica automotiva que não podem ser ignoradas por fabricantes de automóveis, OEMs, designers de eletrônicos para o mercado de reposição e consumidores. As PCBs são a espinha dorsal da eletrônica automotiva, e a proporção dos custos de eletrônicos atualmente ocupa ~40% do custo de um carro novo. Espera-se que isso atinja 50% até 2030, justamente quando se projeta que os novos automóveis de consumo sejam parcial ou totalmente autônomos. Se você olhasse sob o capô de um Chevy dos anos 1950, seria difícil imaginar que a indústria automotiva chegou tão longe.

Não é apenas o número de componentes eletrônicos que se espera continuar aumentando, é também a complexidade desses sistemas, tanto em termos de hardware quanto de software embarcado. Por baixo dessas estatísticas estão várias tendências de eletrônicos automotivos que impulsionarão as necessidades de componentes para OEMs e designers de mercado de reposição. Vamos ver como essas tendências estão influenciando a paisagem nos sistemas eletrônicos para automóveis novos e futuros.

Principais Tendências em Eletrônicos Automotivos

A tendência mais proeminente com a qual todos estão familiarizados é a atual escassez de chips automotivos, que, infelizmente, se espalhou para praticamente todas as outras áreas da indústria eletrônica. A eletrônica automotiva abrange múltiplas áreas de aplicação, variando de energia a sensores e comunicações sem fio.

Gestão de Energia para Veículos Elétricos

À medida que a infraestrutura em países economicamente avançados muda, e à medida que novos sistemas de baterias são desenvolvidos, podemos continuar esperando veículos elétricos com maior autonomia e tempos de carregamento mais rápidos. Tudo isso depende de sistemas de gestão de energia mais avançados, que contam com uma gama de componentes fundamentais. Esses componentes não são necessariamente altamente integrados como SoCs simplesmente porque precisam lidar com tanta energia, mas sistemas de alta potência ainda podem precisar operar com componentes discretos em módulos dedicados.

Alguns dos principais sistemas de energia que aparecem em veículos elétricos incluem:

• BMS sem fio para gerenciar a distribuição de carga em pacotes de bateria de VE, bem como monitorar baterias e comunicar dados de volta para as unidades de controle.

• Emergência de tecnologias V2G e carregamento bidirecional em veículos elétricos nas estações de carregamento.

• Uso de semicondutores mais avançados com alta temperatura de operação e alta condutividade térmica para MOSFETs de potência.

Alguns componentes típicos que precisarão ser usados nesses sistemas de gerenciamento de energia incluem uma gama de componentes para laços de sensação e controle, como amplificadores de detecção de corrente. Como os VE operam com pacotes de bateria em alta tensão, componentes para proteção ESD também são essenciais para proteger os circuitos. Circuitos integrados de gerenciamento de energia com múltiplos reguladores (veja o MC33PF8200A0ES da NXP abaixo) estão sendo usados para controlar esses sistemas, bem como processadores qualificados para automotivos e um conjunto de ASICs.

O processador de aplicação MC33PF8200A0ES da NXP fornece uma solução integrada de gerenciamento de energia para automóveis.

Quanto aos FETs de potência que precisam operar em alta potência para gerenciamento de carga/descarga, SiC e GaN-SiC são plataformas de materiais ideais para esses componentes de comutação. Em particular, o SiC é um semicondutor de banda indireta larga (bandgap de 3.3 eV) que proporciona baixas perdas durante a conversão de energia em frequências de comutação relativamente baixas. Ele também possui alta condutividade térmica em comparação ao Si, tornando-o um material ideal para tarefas de conversão de alta potência em veículos elétricos. Enquanto esses componentes foram originalmente desenvolvidos para alvos de aplicações de potência RF, como em infraestruturas móveis mais novas, eles são igualmente úteis em aplicações de potência para veículos elétricos. De fato, o primeiro FET GaN qualificado para automotivos com um driver integrado foi anunciado no ano passado, e outras empresas seguiram o exemplo com seus próprios componentes.

Redes de Veículos e Infraestrutura Inteligente

Os carros novos estão processando mais dados do que nunca, e a quantidade de dados que eles usam só vai aumentar. A rede de veículos dentro de automóveis de consumo atualmente está abaixo de 1 Gbps por Ethernet, mas o Ethernet Gigabit dentro do veículo e dispositivos conectados sem fio dentro do veículo mudarão a maneira como os dados são coletados e tratados pelos veículos, bem como a experiência do motorista. Redes de veículos e redes de infraestrutura inteligente são ambas oportunidades enormes para novos automóveis e são vistas como um novo mercado em crescimento pela indústria automotiva. Apenas a rede de veículos está projetada para tornar-se um mercado de $1.5 bilhões até 2026, o que será facilitado por uma série de processadores integrados e SoCs.

O CC2541-Q1 da Texas Instruments é qualificado para automotivos e faz parte da plataforma SimpliLink para produtos IoT.

Implementar a tecnologia sem fio vai além de conectar motoristas e sistemas de entretenimento com Bluetooth. Além dos designs de BMS sem fio mencionados acima, há uma motivação para implementar conexões sem fio em outras áreas de um veículo. As ECUs (Unidades de Controle Eletrônico) muitas vezes precisam ser colocadas muito próximas aos sensores e atuadores com os quais interagirão. O resultado é a necessidade de adicionar fiação adicional para cada ECU adicionada a um novo veículo. Como resultado, o chicote de rede em um automóvel moderno pode incluir milhares de conexões e abranger milhares de metros de comprimento. Substituir interfaces com fio por conexões sem fio reduz o peso e a complexidade do sistema, e segue o paradigma atual encontrado em veículos conectados. Para habilitar ADAS mais avançados, veículos autônomos e uma gama de novos serviços originados dentro e fora de um veículo, veículos mais novos também precisarão se conectar uns aos outros, a sistemas de infraestrutura inteligente e até bicicletas e motocicletas. Os atuais padrões sem fio de veículo para tudo (V2X) baseados em WLAN são baseados no IEEE 802.11p, enquanto outras capacidades dependerão dos serviços celulares 4G existentes ou dos futuros serviços 5G. Os componentes necessários para esses sistemas incluem o seguinte:

• 4G/4G LTE, e transceptores 5G, modems e módulos de antena

• ICs de amplificador de potência RF para canais Tx

• ICs transceptores RF operando em uma gama de frequências (WiFi, DSRC, tubos de banda dupla até 5,9 GHz, etc.)

Até recentemente, havia algum debate sobre se o padrão 802.11p (conhecido como comunicação de curto alcance dedicada, ou DSRC) ou celular se tornaria o protocolo dominante para redes entre veículos. Em outubro de 2020, a FCC realocou o espectro de 5,85 a 5,895 GHz para uma banda não licenciada. O resto do espectro DSRC original foi alocado para o mais novo C-V2X, que por acaso foi padronizado no 3GPP Release 14. Isso efetivamente acabou com o DSRC, deixando o C-V2X e os serviços habilitados para 5G como as tecnologias emergentes para veículos conectados e infraestrutura inteligente.

Diga Adeus ao 3G

Meu carro atual pode atuar como um hotspot WiFi e se conectar ao meu serviço celular por 4G LTE/5G (comercializado como serviços de Carro Conectado), e o carro pode então se conectar aos meus dispositivos via Bluetooth. À medida que o 5G continua a ser implementado, as capacidades dos seus serviços celulares continuarão a ser espelhadas em automóveis novos. Um serviço que provavelmente não estará disponível em automóveis mais novos são os serviços de navegação e segurança baseados em 3G. As telecomunicações estão programadas para desligar os serviços 3G que muitos carros usam para navegação, detecção de colisões, visualização de tráfego e serviços especializados como BMW Assist e OnStar. De certa forma, isso é apenas uma repetição do fiasco do desligamento do 2G de uma década atrás. Algumas operadoras estão melhor equipadas para lidar com a transição para novas tecnologias do que outras, mas as montadoras têm sido negligentes em informar os motoristas quando seus serviços de carro conectado serão descontinuados. Para carros mais novos, espera-se ver uma mudança contínua para tecnologias sem fio mais recentes para possibilitar uma experiência de usuário de ponta.

O sistema OnStar é apenas um dos serviços habilitados para 3G que em breve será descontinuado.

Sensores para ADAS Inteligentes

Alguns especialistas dizem que levará aproximadamente uma década antes que os consumidores possam comprar um carro autônomo. Existem muitas razões para isso, que giram em grande parte em torno do desenvolvimento de um conjunto de algoritmos avançados para governar o controle e a tomada de decisões. No entanto, existem outros desafios que precisam ser resolvidos no nível de hardware. Depois, há os desafios regulatórios e a infraestrutura necessária para apoiar os veículos autônomos. Esses desafios existem tanto dentro do veículo, fora dele, quanto em relação a outros carros dirigidos por humanos.

A paisagem atual dos sensores para ADAS envolve alguma combinação de ultrassons, radar e câmeras, todos os quais precisam se conectar a uma ECU. Lidar também pode se tornar comum em redes de sensores ADAS, pois permite o mapeamento de profundidade que não é possível com imagens de câmera. Lidar é interessante, pois não se limita ao uso em automóveis, com a tecnologia sendo útil para detecção e imagem em cidades inteligentes de forma geral. Mesmo que lidar não tenha sido o principal foco de conversa nos anos anteriores, as empresas ainda estão promovendo-o como parte de uma solução avançada para sistemas ADAS inteligentes, pois fornece imagens e mapeamento de alta resolução para apoiar sistemas de radar e visão em veículos novos.

Os componentes necessários para sensores ADAS vão além dos próprios sensores e incluem o seguinte:

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

• Componentes do sistema Lidar, incluindo diodos laser pulsados

• ADCs multicanal e processadores embutidos para fusão de sensores

• Componentes para câmeras personalizadas, incluindo módulos de sensores CCD/CMOS

Alguns sensores e seus componentes de suporte podem precisar se comunicar entre si por meio de interfaces digitais padrão (I2C, SPI, CANBus, etc.), enquanto sensores analógicos podem usar uma interface padrão 0/5 V/4-20 mA (por exemplo, sensores ambientais).

Potência de Processamento

Os carros atuais contêm algo em excesso de 100 ECUs, e espera-se que esse número apenas aumente. À medida que a quantidade de dados coletados e processados em automóveis aumenta, as ECUs e outros módulos no sistema exigirão mais potência de processamento na forma de MCUs e FPGAs de grau automotivo. O tamanho exato, velocidade e localização desses componentes ainda é uma questão em aberto. Dado a tendência de integração vista no mercado de ICs especializados, eu esperaria que muitos fabricantes começassem a oferecer e/ou comercializar SoCs específicos para automóveis que integram um MCU.

A gama de serviços sem fio, sistemas de gestão de energia e poder de processamento necessários para novos veículos deve revelar a complexa paisagem eletrônica em novos veículos. É impossível acompanhar todas as tendências de eletrônicos automotivos, mas os designers que precisam selecionar componentes para esses sistemas podem obter uma visão completa da cadeia de suprimentos com um poderoso motor de busca de eletrônicos. Os fabricantes de chips provavelmente responderão com SoCs especializados, semelhantes aos de produtos IoT e móveis, e você pode encontrar estes e outros componentes especializados para novos veículos com o motor de busca certo.

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