Connecteurs spécialisés pour une connectivité USB-C compatible avec les applications automobiles

Le connecteur USB (Universal Serial Bus) Type-C a standardisé et simplifié les connexions entre les dispositifs grand public. Les concepteurs de systèmes automobiles peuvent également tirer profit de l'USB-C pour des fonctions haut débit non liées à la sécurité, telles que l'infodivertissement. Cependant, les connecteurs USB-C classiques conçus pour les applications grand public ne présentent pas les caractéristiques de robustesse, de fiabilité et de sécurité requises pour l'environnement automobile.

Cet article présente brièvement l'USB-C et les défis auxquels les concepteurs sont confrontés lors de son intégration dans les conceptions automobiles. Il présente ensuite les connecteurs USB-C de Hirose que les concepteurs peuvent utiliser pour relever ces défis.

Évolution de l'USB

Depuis son facteur de forme Type-A de base, l'USB a supplanté de nombreux bus traditionnels, tels que le port parallèle et RS-232, dans les applications grand public, les instruments de test et même les applications industrielles. Ce succès s'explique par la simplicité d'utilisation plug-and-play, le faible coût, la compacité, la connexion/déconnexion simple et rapide, la capacité à gérer l'alimentation et les signaux numériques, et la large adhésion des fournisseurs. Les versions USB-C améliorées ont apporté une taille physique plus petite, des débits plus élevés, une tenue en puissance supérieure et des connecteurs réversibles.

L'USB-C a connu un tel succès qu'il est devenu la technologie obligatoire pour tous les nouveaux smartphones et petits dispositifs grand public, résultant en des volumes extrêmement élevés et une interopérabilité accrue des dispositifs. Le format USB-C standard est de 8,4 mm × 2,6 mm avec 24 broches. Le corps et les broches sont symétriques (réversibles) et aucun détrompage mécanique n'est nécessaire. Il permet également la transmission de données et la charge simultanées. Sa fonction d'extension peut prendre en charge le mode DisplayPort Alt et les ponts et les adaptateurs HDMI pour transmettre des données audio et vidéo.

Ces caractéristiques sont intéressantes pour les concepteurs de systèmes de divertissements automobiles. Ici, l'USB-C offre également la possibilité de réduire les coûts, d'améliorer la praticité et de diminuer le poids par rapport aux autres options de connectivité, tout en bénéficiant d'un vaste écosystème de ressources USB existantes.

Bien que l'USB-C pour les applications automobiles soit prometteur, les concepteurs sont confrontés à des variations de température et à des vibrations extrêmes, à des interférences électromagnétiques (EMI) élevées et à des défaillances potentiellement dangereuses dues à des incompatibilités entre les connecteurs et les câbles USB.

Intégrer l'USB-C dans les applications automobiles

Pour répondre aux exigences spécifiques de l'environnement automobile, Hirose a lancé la série AU1 de connecteurs USB-C. Les connecteurs de cette série servent de pont entre les connexions de dispositifs internes et externes, prenant en charge des normes comme USB 3.2 Gen2, DisplayPort 1.4 et HDMI. Ils sont conçus pour fonctionner de manière transparente avec la série CX existante de Hirose (Figure 1).

Figure 1 : La série AU1 de connecteurs USB-C compatibles avec les applications automobiles (en bas) utilise la série CX (en haut) comme élément de base. (Source de l'image : Hirose)

Cette combinaison innovante permet des transferts de données haut débit constants de 20 Gbps (USB 3.2 Gen 2×2), des niveaux de puissance de 240 W (USB Power Delivery 3.1 Extended Power Range (48 V, 5 A)), et une connectivité fiable sur l'ensemble du système d'infodivertissement, prenant en charge des fonctionnalités avancées et une intégration système transparente.

Les connecteurs série AU1 offrent un raccordement sécurisé, une résistance aux vibrations et à la chaleur ainsi que des performances fiables dans les environnements exigeants. De ce fait, cette série permet l'utilisation de ce type de connecteur populaire dans un environnement beaucoup plus exigeant que celui pour lequel il a été initialement conçu.

Les assemblages de connecteurs de cette série prennent en charge les orientations droites et à angle droit (Figure 2), offrant ainsi aux concepteurs une grande flexibilité pour le routage des câbles dans l'environnement automobile à espace très restreint.

Figure 2 : Les connecteurs série AU1 prennent en charge des configurations droites et à angle droit. Une carte de démonstration illustre leur utilisation. (Source de l'image : Hirose)

Garantir le raccordement sécurisé, précis et correct

Ces connecteurs présentent des caractéristiques uniques, notamment une unité de garantie de positionnement des connecteurs (CPA) et un détrompage. L'unité CPA permet le raccordement sécurisé et précis. Son loquet actionné avec le doigt (Figure 3) fournit un couplage mécanique sûr et émet un clic audible qui confirme à l'utilisateur que le verrouillage a été effectué avec succès.

Figure 3 : L'unité CPA garantit que le connecteur homologue est complètement enclenché, puis verrouillé et maintenu en place jusqu'à ce qu'il soit délibérément désengagé. (Source de l'image : Hirose)

En fonctionnement, l'unité CPA ne peut pas bouger tant que le processus de raccordement n'est pas terminé. Une fois la fiche complètement enclenchée, la prise appuie sur l'unité CPA, la plaçant en position verrouillée, ce qui indique qu'elle est correctement engagée. Pour déconnecter, l'utilisateur tire sur l'unité CPA pour libérer le verrou secondaire ; un clic est perceptible lors du déverrouillage.

En cas de désalignement axial ou radial, les deux parties ne s'enclenchent pas, avertissant ainsi l'utilisateur d'un raccordement incorrect. Ces connecteurs sont répertoriés pour supporter plus de 10 000 cycles de raccordement, dépassant largement l'utilisation prévue dans l'environnement automobile.

Le détrompage permet d'éviter de connecter un câble incorrect à la partie homologue. Comme mentionné précédemment, l'une des caractéristiques pratiques des câbles USB-C grand public est qu'ils sont réversibles. Cela signifie également qu'ils ne disposent d'aucun système de détrompage ou moyen physique permettant d'identifier quelle extrémité de fiche correspond à quelle prise. L'absence de détrompage est un avantage dans les applications grand public où il suffit de brancher et de débrancher un câble. Cependant, dans les applications automobiles, les connexions sont plus susceptibles d'être permanentes, et il existe un risque de câblage incorrect lors de l'installation de faisceaux de câbles automobiles denses. Dans de tels cas, un raccordement incorrect peut engendrer de la frustration due à une connexion défectueuse, endommager potentiellement les périphériques et présenter un risque pour le système et l'utilisateur.

Pour éviter les erreurs de câblage, la série AU1 de connecteurs USB-C de qualité automobile prend en charge deux types de détrompage : un détrompage standard (noir) et un détrompage A (gris/naturel) (Figure 4). Ces deux détrompages contribuent à garantir qu'un raccordement incorrect est physiquement impossible entre deux câbles et connecteurs adjacents. Les différences de couleur permettent également d'identifier les deux détrompeurs.

Figure 4 : Deux systèmes de détrompage mécanique permettent de minimiser les erreurs de connexion des câbles. Les connecteurs à détrompage standard sont noirs, tandis que ceux à détrompage A sont gris (mâle) / de couleur naturelle (femelle). (Source de l'image : Hirose)

Normes et performances électriques

Les performances définissent les capacités environnementales et électriques de ces connecteurs Hirose. Sur le plan environnemental, ils fonctionnent sur une plage de températures de -40°C à +105°C. De plus, ils sont étanches à l'eau et à la poussière, avec des indices de protection IP54, IP68 ou IP69K, selon le type de connecteur. L'indice IP69K est le plus strict des trois en matière de protection contre la pénétration de poussière et d'eau.

Les connecteurs sont conformes aux normes USCAR (United States Council for Automotive Research) USCAR-2 et USCAR-30 pour une fiabilité garantie. USCAR-2 est une norme de performances pour les systèmes de connecteurs électriques automobiles, définissant les exigences relatives aux bornes, aux connecteurs et aux composants dans les applications de véhicules routiers basse tension. USCAR-30 est une spécification de performances pour les systèmes de connexion USB automobiles, couvrant les exigences relatives aux connecteurs USB, aux câbles et à la connexion électrique entre les périphériques grand public et une source informatique USB dans les véhicules.

Sur le plan électrique, leurs broches d'alimentation (A4/A9/B4/B9 (VBUS)) sont répertoriées à 1,25 A conformément à la spécification USB-C, tandis que les broches non alimentées sont répertoriées à 0,25 A, toutes à 20 V_CA et V_CC. La résistance de contact initiale est de 40 mΩ maximum, augmentant légèrement jusqu'à 50 mΩ maximum après une série de tests de contrainte définis par les normes.

Spécification et assemblage des connecteurs AU1

Dans la plupart des cas, un connecteur simple, tel qu'une fiche CA standard, est fourni complet et prêt à l'emploi, sans aucun composant spécifié par l'utilisateur. Cependant, une interconnexion sophistiquée telle que le connecteur AU1 comprend de nombreux composants individuels (Figure 5). Le concepteur peut commander certains de ces composants sur mesure afin de répondre aux exigences de l'application.

Figure 5 : Les composants de l'assemblage de connecteur AU1 complet incluent : 1) fiche USB-C ; 2) circuit imprimé ; 3) porte-fil ; 4) câble ; 5) blindage 1 ; 6) blindage 2 ; 7) moulage interne ; 8) surmoulage ; 9) boîtier et CPA ; et 10) dispositif de retenue. (Source de l'image : Hirose)

La Figure 6 présente certains des composants que l'utilisateur peut spécifier. Il s'agit notamment (rangée supérieure, de gauche à droite) :

• Blindage de connecteur AU1MS-24S-SLDA(805)
• Dispositif de retenue de connecteur AU1MS-24RS(805)
• Boîtier à verrou à loquet AU1MS-24S-HU/C(805) et CPA pour une fiche avec détrompage noir standard (ou boîtier à verrou à loquet AU1MSA-24S-HU/C(805) et CPA avec détrompage A gris), et avec un dispositif de retenue, un boîtier de blindage et une unité de fiche
• Connecteur mâle CX60-24S1-UNIT à montage en appui dans l'unité, également disponible en tant qu'article séparé pour les concepteurs ayant besoin d'unités de fiche supplémentaires

Une fiche ne constitue que la moitié du connecteur, car il faut également une prise correspondante. Pour les connecteurs USB-C de Hirose, les concepteurs peuvent choisir entre ces deux versions (Figure 6, rangée inférieure, de gauche à droite) :

• Connecteur femelle USB-C droit traversant AU1FS-24P(805) pour fixation sur circuit imprimé
• Connecteur femelle à angle droit AU1FRA-24P(805)

Figure 6 : Les composants de connecteurs que les utilisateurs peuvent spécifier incluent (rangée supérieure, de gauche à droite) le blindage de connecteur AU1MS-24S-SLDA(805), le dispositif de retenue de connecteur AU1MS-24RS(805), le boîtier à verrou à loquet AU1MS-24S-HU/C(805) et l'unité CPA pour une fiche avec un détrompeur noir standard, ainsi que le connecteur mâle à montage en appui CX60-24S1-UNIT. Les options de prise incluent (rangée inférieure, de gauche à droite) la prise USB-C droite traversante AU1FS-24P(805) et la prise à angle droit AU1FRA-24P(805). (Source de l'image : Hirose)

Conclusion

Le connecteur USB-C offre des performances remarquables en termes de facilité d'utilisation, de vitesse et de tenue en puissance. Cependant, le connecteur de base destiné aux applications grand public n'est pas mécaniquement adapté aux conceptions automobiles. Le connecteur série AU1 s'appuie sur la série CX éprouvée de Hirose comme base pour créer un connecteur Type-C hautes performances renforcé, adapté aux applications automobiles et conforme aux spécifications et normes industrielles pertinentes.