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車載以太網(wǎng)面向汽車設(shè)計并實現(xiàn)EMI與EMC的挑戰(zhàn)
發(fā)布時間:2014-09-13 責(zé)任編輯:echolady
【導(dǎo)讀】如今,以太網(wǎng)已能夠正式進入諸如CAN、LIN、FlexRay和MOST這樣的汽車網(wǎng)絡(luò)行列。簡易性和經(jīng)過現(xiàn)場驗證的開放標(biāo)準(zhǔn),大大降低了以太網(wǎng)在每一種應(yīng)用情況下的擁有成本,這也是以太網(wǎng)最近深受工廠和家庭技術(shù)用戶青睞的部分原因。在眾多以太網(wǎng)供應(yīng)商的支持下,龐大的辦公市場和急劇膨脹的消費市場使以太網(wǎng)的定價水平能夠遠(yuǎn)低于任何“定制”協(xié)議的定價。
汽車以太網(wǎng)的最初應(yīng)用通常包括車載診斷系統(tǒng)(OBD),它大大縮短了軟件的下載時間。似乎有一種普遍的共識:OBD將轉(zhuǎn)向基于IP的接口(即以太網(wǎng)的物理層),而非速度較慢的傳統(tǒng)CAN。展望未來,“實時”以太網(wǎng)AVB(音頻視頻橋接)將能夠提供高性能的資訊娛樂網(wǎng)絡(luò)解決方案,但是其所面臨的挑戰(zhàn),不僅僅是單純的技術(shù)問題。即使當(dāng)汽車停在服務(wù)站(即并未行駛)時,OBD應(yīng)用同樣可以正常運行。當(dāng)汽車行駛時,汽車制造商需要更加嚴(yán)格的EMI要求。以太網(wǎng)從未針對此類應(yīng)用進行專門設(shè)計。那么,這項技術(shù)是否能夠應(yīng)對挑戰(zhàn)?
耐熱和 EMC 性能
工業(yè)控制市場已經(jīng)證明,以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠在極端條件下實現(xiàn)強勁的性能。大部分此類應(yīng)用通常會面對較大的溫度變化范圍、劇烈震動、高EMC輻射以及灰塵或潮濕環(huán)境。以太網(wǎng)設(shè)備采用低功耗和封裝設(shè)計,固此在將發(fā)動機環(huán)境溫度升高到+85°C(正常溫度)以上時,不會出現(xiàn)散熱問題。例如,麥瑞半導(dǎo)體的 KSZ8041NL AM單端口快速以太網(wǎng)PHY解決方案(符合AECQ-100 標(biāo)準(zhǔn)),在耐熱增強的5mmx5mm MLF? 封裝內(nèi),僅消耗175mW。KSZ8041NL 系列還提供軍用規(guī)格變體,支持高達125°C的環(huán)境溫度。
由于工業(yè)和汽車市場的需求,許多新一代以太網(wǎng)設(shè)備都具備顯著改善的ESD(靜電放電)性能。這是一個重大的觀念轉(zhuǎn)變,以前的辦公應(yīng)用并不十分重視 ESD 額定值。例如,麥瑞半導(dǎo)體KSZ8041 PHY和KSZ8851控制器系列的HBM(人體模型)ESD 額定值都大于 6KV。評估板也顯示能夠提供大于9kV的接觸ESD和大于16.5kV的空氣ESD 額定值,而不需要任何外部過電壓保護設(shè)備。這超越了一般汽車廠商的電磁兼容性(EMC)要求,例如由寶馬集團標(biāo)準(zhǔn)GS 95002的要求。
電磁輻射
目前行業(yè)對電磁干擾(EMI)性能的嚴(yán)格要求,是所有汽車電氣設(shè)備都要面臨的其中一項最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)速度的增長,信號傳輸速度也越來越快,這會導(dǎo)致更高的能量排放。行業(yè)面臨的第一個挑戰(zhàn)是要設(shè)定以太網(wǎng)技術(shù)的排放限值和所需帶寬。
就視頻和相機成像傳輸來說,有關(guān)100Mbps快速以太網(wǎng)是否真正夠用,或是否需要推進千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度,仍然存有爭議。這種選擇很可能取決于相機應(yīng)用程序是否支持視頻壓縮。
圖1顯示以太網(wǎng)電路板的典型輻射特性,使用的是麥瑞半導(dǎo)體的KSZ9021千兆PHY。毫不奇怪,峰輻射位于參考時鐘的125Mbps諧波位置,超過了典型的OEM限值(此處以FlexRay為例)。
為保持一致性,如今在汽車運行時,以太網(wǎng)可以使用雙絞線、同軸電纜或塑料光纖(POF)作為屏蔽電纜。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)RJ45連接器和CAT5電纜具備非常強勁的性能,廣泛應(yīng)用在多個領(lǐng)域中(包含工業(yè)領(lǐng)域)。
但是,汽車應(yīng)用中可能仍會采用(至少在最初階段)現(xiàn)有的供應(yīng)商特定連接器和接線器。以后將逐漸傾向于采用如ISO 13400中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)化IP診斷接口。以太網(wǎng)PHY(收發(fā)器)可靈活使用此類連接器和線纜,而不會使性能顯著降低。下表1列出了CAT5電纜的典型特性。
標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜具有與非屏蔽雙絞線CAT5電纜相似的特性。測試已證明了通過100m以上CAN電纜實現(xiàn)以太網(wǎng)長期無差錯傳輸?shù)目尚行?。這兩種電纜之間的主要區(qū)別是,CAN電纜僅部分指定,并且不提供受控的阻抗或絞紐率。這樣就無法保證EMC性能和信號完整性,所以CAN電纜一般不適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。CAN電纜目前用于以太網(wǎng)車載診斷系統(tǒng)(OBD)和閃存更新。這些線纜在正常行駛中可能會被禁用,只有在維修店或生產(chǎn)工廠中才能被激活。
用于高速數(shù)據(jù)傳輸(例如汽車應(yīng)用中的LVDS、USB和以太網(wǎng))的電纜示例包括“Leoni 電纜”。“Leoni 電纜”使用受控的100ohm阻抗進行屏蔽,可勝任高達1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸,性能指標(biāo)類似于CAT6,而非 CAT5。它實際并非雙絞線,而是一種名為Stern-Vierer(譯作星絞四線)的四絞線。
第一款具有受控阻抗的汽車非屏蔽電纜是Kroschu 的FlexRay電纜,它能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于CAN的EMC性能和信號完整性。雖然存在雙絞線對和Stern-Vierer等電纜類型,標(biāo)準(zhǔn)的FlexRay電纜是指單獨一個雙絞線。CAT5提供四線雙絞線,其中的所有雙絞線都將用于千兆網(wǎng)絡(luò),而100Mbps快速以太網(wǎng)則只需使用其中兩對。
為了提高可靠性,麥瑞半導(dǎo)體LinkMD等電纜診斷技術(shù),提供了超越以太網(wǎng)定義標(biāo)準(zhǔn)的解決方案,以解決此類問題。LinkMD電纜診斷技術(shù)利用時域反射計(TDR)分析雙絞線電纜的常見問題,例如開路、短路和阻抗不匹配。
塑料光纖(POF)是傳統(tǒng)CAT5銅線電纜的一種替代選擇。這種物理介質(zhì)部署在MOST網(wǎng)絡(luò)中,早已為汽車制造商所熟知。來自MOST(包括新的MOST- 150)的相同1mm LED POF技術(shù)也可用于100米范圍的 100Mbps快速以太網(wǎng)傳輸。POF性能強大、質(zhì)量輕巧,并且像其他光纖一樣,完全不會產(chǎn)生電磁噪音(因沒有散發(fā)輻射)。
然而,使用屏蔽電纜或POF的缺點在于成本高昂。目前,研究工作仍在繼續(xù)開展;我們期待著開發(fā)出使用非屏蔽電纜實現(xiàn)輻射水平要求(至少滿足快速以太網(wǎng))的方法。有些提議的方法需要使用其他調(diào)制技術(shù),這樣會產(chǎn)生專有的不一致“以太網(wǎng)”。這并不符合以太網(wǎng)的獨特魅力和成功精髓:通過現(xiàn)場驗證、可互操作的開放標(biāo)準(zhǔn),以及低廉的成本。此類方法不僅要實現(xiàn)開放性和自由訪問的要求,還涉及數(shù)量眾多的芯片供應(yīng)商。這些方法能否順利成功,還有待觀察。
理想的解決方案需要能夠增強標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PHY設(shè)備的性能以減少EMI輻射。這些改進結(jié)合其他電路板和設(shè)備技術(shù),為成功提供了現(xiàn)實機會,特別是快速以太網(wǎng)的成功。
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