為汽車應(yīng)用選用有源以太網(wǎng)，無需增加系統(tǒng)成本

針對配套部署標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和有源以太網(wǎng) (PoE) 的優(yōu)勢——主要由于利潤高于大部分使用此方法的部署——汽車市場提出了一項有趣的案例研究。汽車行業(yè)的變化可謂翻天覆地，消費者和政府對更安全的汽車的需求極大促進(jìn)了先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的應(yīng)用。ADAS 特點日益發(fā)展為汽車的標(biāo)準(zhǔn)特點，比如，后視停車傳感器和攝像頭已經(jīng)相當(dāng)普及。展望未來，這些系統(tǒng)將更加復(fù)雜，以日益精密的基于傳感器的防碰撞系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)設(shè)計用于提供車道偏離、路標(biāo)、交通信號燈和行人識別功能。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)可通過低成本的非屏蔽雙絞線提供高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，事實證明，這個解決方案對 ADAS 應(yīng)用極具吸引力。從歷史角度回顧技術(shù)發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，采用基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案已經(jīng)得到了充分理解，多個供應(yīng)商服務(wù)多個市場，從而形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)并最終提供最低的擁有成本。然而，采用根據(jù)大量補(bǔ)充性 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)推出的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)還另有其他的整體優(yōu)勢，而這一點卻常常受到忽略。有源以太網(wǎng) (PoE) 的使用就是其中一個例子。

那么它是如何運作的呢?從汽車制造商的角度而言，在汽車周圍添加多個攝像頭傳感器會增加布線內(nèi)容，毫無意外，這是他們不想看到的結(jié)果。此外，位置較遠(yuǎn)的汽車傳感器也需要沿著數(shù)據(jù)接線傳輸電力。這通常導(dǎo)致每個傳感器均需使用額外的一對接線，從而遠(yuǎn)程為各個設(shè)備供電。然而，IEEE 802.3af(標(biāo)準(zhǔn))和 IEEE 802.3at(功率增大型)指定了根據(jù)數(shù)據(jù)在同一根線纜上配電的方式——采用該類技術(shù)意味著使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的遠(yuǎn)程傳感器設(shè)備有效消除了對額外電纜的需求。在這個例子中，不僅接線數(shù)量得到減少，利用標(biāo)準(zhǔn)PoE展現(xiàn)這一穩(wěn)定技術(shù)的優(yōu)勢也令汽車應(yīng)用受益——不增添額外的系統(tǒng)成本。

IEEE802.3af/at PoE運行的基本原理如圖 1 所示。這解釋了如何能夠在不增添額外系統(tǒng)成本的情況下得到執(zhí)行。

圖 1. IEEE802.3af/at 有源以太網(wǎng);幻象供電法原理

如圖所示，PoE架構(gòu)包含兩大要素。供電端設(shè)備 (PSE) 供應(yīng)電力和受電端設(shè)備 (PD) 接受電力。專用的 PSE 控制器必須對 PD 進(jìn)行檢測和分類，然后再分三個階段流程供電：發(fā)現(xiàn)：PSE 確認(rèn)是否連接到有效且兼容的設(shè)備;分類：PSE 核對 PD 的電力需求;運行：如果1 號和 2 號條件確實有效且 PSE 可以提供充足電力，PSE將啟用 VPSE電壓(介于 44V 到 57V 之間)。

作為“幻象供電”技術(shù)，PoE電壓 VPSE應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn) 100BASE-TX 以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭。電流會沿著兩條接線下流到 PD 端的以太網(wǎng)變壓器中心抽頭。每個繞組各承載一半電極相反的電流，因此，通過變壓器的總 DC 電流實際上應(yīng)該為零。這種“幻象供電”法具備一個重要優(yōu)勢，即抑制 PD 端變壓器的共模噪聲，但這僅適用于 100BASE-TX 以太網(wǎng)接口。隨著共模噪聲散入差動以太網(wǎng)信號并被清除，PSE發(fā)出的噪聲或沿雙絞線電纜提取的噪聲將實現(xiàn)耦合。如果 RX 和 TX 接線對偶然交換，PD端需要使用橋式整流器啟用整流并以極性不敏感的方式發(fā)揮作用。

其他變壓器的中心抽頭會提供 PSE 的接地回路路徑，這將產(chǎn)生第二個重要優(yōu)勢，即 PD 和 PSE 接地的電流隔離。兩端的接地電位不同時，電流隔離的作用非常重要，能夠防止形成輻射接地回路——這種情況很可能對汽車意義重大。這種優(yōu)勢也是安裝100BASE-TX 以太網(wǎng)所獨有的。

幻象供電如何能夠為汽車應(yīng)用優(yōu)化

對汽車應(yīng)用運用此類 IEEE PoE方法時會產(chǎn)生相當(dāng)大的優(yōu)化機(jī)會(圖 2)。

消除傳統(tǒng)的 PSE 控制器是主要差異。這可能是由于汽車應(yīng)用的 PD 端為已知且固定，因此無需經(jīng)過發(fā)現(xiàn)和分類階段。我們以后視攝像頭模塊及其機(jī)頭單元之間的接口為例。在這種情況下，相對昂貴的 PSE 控制器可以用低成本的 DC-DC 穩(wěn)壓器代替，在電流過載故障情況下提供關(guān)閉保護(hù)。通過為汽車應(yīng)用更加適合的較低PoE電壓VPSE，例如 12 V，PD 端也可以使用一個電壓較低(并且成本較低)的 DC-DC 穩(wěn)壓器。需要注意的是，從 12V PoE運行時，每個端口可以獲得約 6W 的額定功率，如果需要額外功率，可以使用更高的PoE電壓(或增強(qiáng)的額定電流磁性)。另一個優(yōu)勢是，由于汽車接線也將固定，PD端也不再需要普通的橋式整流器。

圖 2.優(yōu)化機(jī)會使用“幻象供電”的 100Base-TX PoE 汽車

表 1.汽車PoE成本和性能優(yōu)勢

盡管經(jīng)過優(yōu)化且降低了最終成本，但由于采用“幻象供電”法，汽車應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PoE仍具備其他優(yōu)勢。特別是PD 端共模噪聲抑制和 PD / PSE 接地隔離，如表 1 所示。

可以明確的是，在汽車應(yīng)用中，IEEEPoE已具備所有優(yōu)勢且無需任何額外成本。沒有額外的接線，并可以使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)磁性元件和現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)電源管理。同樣地，汽車市場的價值定位也相當(dāng)獨特——即它是貨真價實的“免費PoE”。