打造可靠穩(wěn)健汽車以太網(wǎng)，我們應(yīng)該怎么做？

在本文中，我們將介紹汽車以太網(wǎng)的興起和演變，并分析其新近發(fā)展出的變體之一——10BASE-T1S——在新興汽車區(qū)域架構(gòu)中的功能和優(yōu)勢。接下來，本文將討論典型的10BASE-T1S汽車網(wǎng)絡(luò)的布局，以及如何使用TDK的共模扼流圈和壓敏電阻為其提供所需的穩(wěn)健而可靠的保護。

以太網(wǎng)在汽車中的應(yīng)用

隨著汽車中電子控制單元（ECU）數(shù)量的增長和速度的提升，汽車行業(yè)意識到，以前為其提供支持的傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)（例如CAN）所提供的帶寬，已經(jīng)無法滿足新的需求。在2000年代中期，汽車制造商開始探索將可信以太網(wǎng)協(xié)議作為數(shù)據(jù)連接選項。

2016年，IEEE在其IEE802.3bw文檔中發(fā)布了第一個汽車以太網(wǎng)標(biāo)準100BASE-T1。與IEEE合作的是OPEN聯(lián)盟（One-Pair EtherNet Alliance），這是一個非營利性的開放行業(yè)聯(lián)盟，主要由汽車行業(yè)廠商和技術(shù)提供商組成，旨在通過聯(lián)盟成員的合作，推動在汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中大規(guī)模采用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，并制定新的標(biāo)準和測試規(guī)范。

雖然傳統(tǒng)以太網(wǎng)（10/100 BASE-T）與其面向汽車行業(yè)的“親緣”標(biāo)準版本之間存在相似之處，但也有一些明顯的差異。兩種版本都使用UTP電纜，即將兩根銅線絞合在一起，以減少電磁輻射，避免與其他電纜和組件之間的串?dāng)_，同時也可以減輕來自其他干擾源的影響。

但是，傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用兩對電纜：一對在一個方向上傳輸發(fā)射信號，而另一對則在相反方向上傳輸接收信號。相較而言，汽車以太網(wǎng)僅使用一對電纜（稱為單對以太網(wǎng)或SPE）進行發(fā)送和接收，這意味著更少的電纜使用、成本更低。而且單對也意味著“平衡”，因為其在每根導(dǎo)線上傳輸幅度相等但極性相反的信號。傳統(tǒng)以太網(wǎng)的電纜長度可達100米，而汽車以太網(wǎng)的長度僅能達到15米，該距離更契合車輛的大小和規(guī)模的要求。

這兩個版本以太網(wǎng)標(biāo)準的另一個關(guān)鍵的區(qū)別在于，適用于計算的RJ45連接器對于汽車應(yīng)用來說太大了，因此需要更換。但是，人們就標(biāo)準連接器類型尚未達成一致。傳統(tǒng)標(biāo)準使用多級傳輸（MLT-3）編碼，該編碼通過三個電壓電平周期將比特數(shù)據(jù)編碼到電纜上。

相比之下，汽車以太網(wǎng)采用的脈沖幅度調(diào)制（PAM）是對具有不同幅度的電壓的比特數(shù)據(jù)進行編碼，因此可以在每次通信中發(fā)送更多位的數(shù)據(jù)。將此方案與其他編碼技術(shù)相結(jié)合可降低傳輸頻率，有助于減少電磁干擾（EMI）和串?dāng)_。100Mb/s IEEE802.3bw版本的以太網(wǎng)標(biāo)準已廣泛應(yīng)用于交換式點對點汽車應(yīng)用，如圖1所示。

圖1：汽車以太網(wǎng)通常以交換網(wǎng)絡(luò)的形式實現(xiàn)

（圖源：TDK）

10BASE-T1S的誕生

以太網(wǎng)開始時是為多點網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存?。﹨f(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。雖然這種“盡力而為”的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)滿足了通用計算的網(wǎng)絡(luò)要求，但其由數(shù)據(jù)包沖突引起的非確定性——即無法保證在指定的時間間隔內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)——意味著多點以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不適用于安全敏感型的實時應(yīng)用。

隨著高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等更多安全功能被添加到新的車型中，這一“短板”對汽車行業(yè)來說成為了關(guān)鍵問題，汽車行業(yè)也在尋找向新型區(qū)域架構(gòu)過渡的方法。區(qū)域體系結(jié)構(gòu)中的連接基于物理位置，而不是基于域的體系結(jié)構(gòu)中所支持的功能。這樣做的好處是能夠減少ECU的數(shù)量，從而減小線束的尺寸。此外，它還消除了硬件和軟件之間的相互依賴，從而實現(xiàn)面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）。

10BASE-T1S就是為了滿足汽車（和工業(yè)）領(lǐng)域?qū)煽亢痛_定性高速數(shù)據(jù)通信的要求而開發(fā)的。它作為時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）系列標(biāo)準IEEE 802.3cg的一部分。10BASE-T1S與其他汽車以太網(wǎng)技術(shù)不同，因為它支持多點拓撲，其中所有節(jié)點都使用相同的非屏蔽雙絞線電纜連接。

由于總線的部署只需要在每個節(jié)點上有一個以太網(wǎng)接口（PHY），而無需像其他形式的汽車以太網(wǎng)那樣采用交換機或星形拓撲，因此成本更低。該標(biāo)準規(guī)定至少支持八個節(jié)點，且可以支持長達25米的總線長度。

10BASE-T1S的另一個新功能是PLCA（物理層防沖突），可防止共享網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上的沖突。該功能可確保確定性的延遲，這具體取決于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。每個節(jié)點都可以進行數(shù)據(jù)發(fā)送。如果沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，它會將傳送機會傳遞給下一個節(jié)點，從而更有效地利用可用帶寬。

10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)是交流耦合的，這意味著其也支持供電。這樣就可以進一步簡化布線并減小連接器尺寸，提高整體網(wǎng)絡(luò)可靠性。PoDL（數(shù)據(jù)線供電）功能已經(jīng)可用于點對點應(yīng)用，IEEE目前正在努力將此功能擴展至多點拓撲并實現(xiàn)標(biāo)準化。表1顯示了10BASE-T1S的物理層特性。

表1：10BASE-T1S的物理層特性

（資料來源：TDK）

10BASE-T1S

網(wǎng)絡(luò)保護的挑戰(zhàn)與對策

雖然以太網(wǎng)提供了出色的鏈路魯棒性，但在汽車等電氣噪聲復(fù)雜的環(huán)境中部署以太網(wǎng)，會面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。用于驅(qū)動電動汽車（EV）的電機是輻射或傳導(dǎo) EMI 噪聲的來源。EMI和電氣瞬變形成的噪聲源，會對高速數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生干擾。雖然雙絞線SPE電纜能夠減少共模噪聲的影響，但還是不可避免地會產(chǎn)生一些感應(yīng)噪聲。

傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲有不同的類型：

共模噪聲

共模噪聲表現(xiàn)為疊加在差分輸入和輸出端子以及正負電源電壓軌上的信號。為了降低共模噪聲，同時保持所需差分信號的不間斷傳輸，開發(fā)者經(jīng)常會采用共模扼流圈（CMC）——它是由圍繞鐵氧體磁芯的兩個繞組組成的磁性元件。

差模噪聲性

差模噪聲信號以相反方向流動，可以使用由電感、電容或差模扼流圈組成的濾波器進行抑制。

靜電放電（ESD）

靜電放電（ESD）會導(dǎo)致瞬態(tài)電壓尖峰（較大的dV/dt），從而在電纜上引發(fā)具有破壞性的高電壓，損壞半導(dǎo)體和其他元器件。壓敏電阻或瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）有助于防止ESD的潛在有害影響。

圖2說明了如何利用CMC和壓敏電阻的組合來保護網(wǎng)聯(lián)汽車中包含多個ECU的典型多點10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)。

圖2：在多點架構(gòu)中保護10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（圖源：TDK）

實現(xiàn)SPE保護

由于10BASE-T1S采用多點連接，許多ECU連接在一條總線上，因此由于線束的長度不可避免地會發(fā)生信號反射。而且，多個ECU引入的額外電容會導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號振鈴。此外，由于差分通信線路中使用的電子元件的性質(zhì)，傳導(dǎo)模式有時可以從差模轉(zhuǎn)換為共模，反之亦然，這稱為模式轉(zhuǎn)換。

模式轉(zhuǎn)換導(dǎo)致差分信號轉(zhuǎn)換為噪聲或噪聲轉(zhuǎn)換為差分信號，從而導(dǎo)致ECU的抗噪性變差，由此可能導(dǎo)致其發(fā)生故障或產(chǎn)生更多噪聲。

這些問題是由于差分通信線路中的不對稱（電感和電容的差異）引起的。對于汽車以太網(wǎng)，模式轉(zhuǎn)換特性（Sdc11、Ssd21、Ssd12）、回波損耗（Sdd11）和插入損耗（Sdd21）通常用于元件選擇和ECU設(shè)計。IEEE802.3cg中（Sdd11，Sdc11）已經(jīng)為這些S（散射）參數(shù)建立了標(biāo)準線。因此，單個和組合組件的S參數(shù)是設(shè)計ECU時必不可少的指標(biāo)。

TDK的ACT1210E系列共模扼流圈/濾波器是用于汽車以太網(wǎng)10BASE-T1S的產(chǎn)品。這些器件采用TDK專有的繞線結(jié)構(gòu)和材料，可實現(xiàn)出色的S參數(shù)值（圖3）。

圖3：ACT1210E系列CMC/濾波器的Sdd11和Sdc11性能（圖源：TDK）

由于繞組線和金屬化端子之間采用激光焊接，使得這些產(chǎn)品在-40°C至+125°C的工作溫度范圍內(nèi)具有很高的抗熱沖擊特性及出色的可靠性。表2總結(jié)了TDK推薦的用于汽車網(wǎng)絡(luò)的ACT系列CMC的主要特性。這些CMC符合10BASE-T1S EMC測試規(guī)范，其出色的匝間雜散電容和模式轉(zhuǎn)換特性使其成為10BASE-T1S安裝的理想選擇。

*符合OPEN聯(lián)盟10BASE-T1S EMC測試規(guī)范

表2：可降低汽車網(wǎng)絡(luò)中共模和差模噪聲的CMC（資料來源：TDK）

ACT1210E

以太網(wǎng)10BASE-T1S共模濾波器

TDK ACT1210E共模濾波器設(shè)計用于汽車以太網(wǎng)10BASE-T1S的保護，其采用3.2mm x 2.5mm x 2.5mm封裝，符合AEC-Q200 Rev. D標(biāo)準。由于使用了TDK專有的繞線結(jié)構(gòu)和高品質(zhì)材料，可實現(xiàn)高散射參數(shù)（S參數(shù)）和高至10pF的線對線電容。ACT1210E的工作溫度范圍為-40℃至+125℃，通過將繞組線激光焊接到金屬化端子，可實現(xiàn)高耐熱性和出色的可靠性。

圖4：ACT1210E共模濾波器結(jié)構(gòu)

（圖源：TDK）

同樣，設(shè)計中對于ESD抑制元件也有嚴格的要求，包括與標(biāo)準ESD元件相比更低的電容和更窄的容差要求。

TDK AVRH10C101KT1R2YE8和AVRH10C221KT1R5YA8貼片壓敏電阻是AVR-H 壓敏電阻系列的成員，具有高ESD保護性能，電容僅能達到1.5pF（典型值），容差僅有±0.13pF（表3）。此外，AVR-H壓敏電阻具有增強的魯棒性，工作溫度高達150℃，且性能不會降低。這些壓敏電阻為ECU網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提供了高ESD抗擾度，同時對通信質(zhì)量和模式轉(zhuǎn)換特性的影響極小。它們還符合AEC-Q200汽車可靠性標(biāo)準，這使其很適合作為10BASE-T1S汽車以太網(wǎng)應(yīng)用中的ESD保護組件。

表3：推薦使用壓敏電阻/TVS保護10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)免受ESD影響（資料來源：TDK）

AVR-H

壓敏電阻系列

TDK的AVR-H壓敏電阻符合AEC-Q200標(biāo)準，這些器件采用IEC 1005 (EIA 0402) 封裝，尺寸緊湊，僅為1.0mm x 0.5mm x 0.5mm，在與現(xiàn)有元件性能相當(dāng)?shù)那闆r下，其尺寸減小了75%。這些小尺寸、高可靠性片式壓敏電阻的工作電壓可達19V至70V，電容范圍為4.7pF至50pF。AVR-H壓敏電阻具有-55℃至150℃的寬工作溫度范圍，可承受25kV接觸放電，符合IEC 61000-4-2標(biāo)準要求，是10BASE-T1S汽車以太網(wǎng)，以及LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay等傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)保護的理想選擇。

圖5：AVR-H壓敏電阻在SPE保護中的應(yīng)用

（圖源：TDK）

打造可靠而穩(wěn)健的車載網(wǎng)絡(luò)

總之，在支持下一代車輛區(qū)域架構(gòu)部署方面，多點10BASE-T1S技術(shù)將發(fā)揮核心作用。當(dāng)然，在不影響帶寬和延遲等因素的前提下，確保網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)健性仍然是工程師設(shè)計時的首要考慮因素。高質(zhì)量的噪聲濾波和ESD保護解決方案，是實現(xiàn)這一目標(biāo)的必要條件。

TDK提供符合汽車標(biāo)準的CMC和壓敏電阻/TVS，以保護10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)，以及其他形式的汽車以太網(wǎng)（例如100BASE-T1）和其他傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)。