嚴(yán)格的EMI要求 車載以太網(wǎng)將如何應(yīng)對挑戰(zhàn)

以太網(wǎng)已經(jīng)正式進(jìn)入汽車網(wǎng)絡(luò)行列。最近以太網(wǎng)深受工廠和家庭技術(shù)用戶青睞，其部分原因出自其簡易性和經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的開放標(biāo)準(zhǔn)，這對以太網(wǎng)在每一種應(yīng)用情況下的擁有成本大大降低。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(fèi)市場使以太網(wǎng)的定價(jià)水平能夠遠(yuǎn)低于任何“定制”協(xié)議的定價(jià)。

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(shí)間。似乎有一種普遍的共識(shí)：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(shí)時(shí)”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(shí)，OBD 應(yīng)用同樣可以正常運(yùn)行。當(dāng)汽車行駛時(shí)，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(jìn)行專門設(shè)計(jì)。那么，這項(xiàng)技術(shù)以太網(wǎng)是否能夠應(yīng)對挑戰(zhàn)?

電磁輻射

所有汽車電氣設(shè)備都要面臨的其中一項(xiàng)最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，便是目前行業(yè)對電磁干擾(EMI)性能的嚴(yán)格要求。信號(hào)傳輸速度伴隨數(shù)據(jù)速度的增長，也變得越來越快，這會(huì)導(dǎo)致更高的能量排放。行業(yè)面臨的第一個(gè)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(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)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(yùn)行時(shí)，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(qiáng)勁的性能，廣泛應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域中(包含工業(yè)領(lǐng)域)。

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(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的性能。大部分此類應(yīng)用通常會(huì)面對較大的溫度變化范圍、劇烈震動(dòng)、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(jì)，固此在將發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境溫度升高到+85°C(正常溫度)以上時(shí)，不會(huì)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(qiáng)的5mm x5mm 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(dá)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(gè)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(píng)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(hù)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(tuán)標(biāo)準(zhǔn)GS 95002的要求。但是，汽車應(yīng)用中可能仍會(huì)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(huì)使性能顯著降低。下表1列出了CAT5電纜的典型特性。

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(jìn)行屏蔽，可勝任高達(dá)1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸，性能指標(biāo)類似于CAT6，而非 CAT5。它實(shí)際并非雙絞線，而是一種名為Stern-Vierer(譯作星絞四線)的四絞線。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(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)長期無差錯(cuò)傳輸?shù)目尚行浴?/p>

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(hào)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(huì)被禁用，只有在維修店或生產(chǎn)工廠中才能被激活。

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(hào)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(dú)一個(gè)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(shí)域反射計(jì)(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(qiáng)大、質(zhì)量輕巧，并且像其他光纖一樣，完全不會(huì)產(chǎn)生電磁噪音(因沒有散發(fā)輻射)。

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(shí)現(xiàn)輻射水平要求(至少滿足快速以太網(wǎng))的方法，然而，使用屏蔽電纜或POF的缺點(diǎn)在于成本高昂。理想的解決方案需要能夠增強(qiáng)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(jìn)結(jié)合其他電路板和設(shè)備技術(shù)，為成功提供了現(xiàn)實(shí)機(jī)會(huì)，特別是快速以太網(wǎng)的成功。

有些提議的方法需要使用其他調(diào)制技術(shù)，這樣會(huì)產(chǎn)生專有的不一致“以太網(wǎng)”。這并不符合以太網(wǎng)的獨(dú)特魅力和成功精髓：通過現(xiàn)場驗(yàn)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(shí)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。