車載以太網(wǎng)的噪聲問題如何應(yīng)對(duì)？村田的完整方案來了~

作為支持ADAS的設(shè)備，各種傳感器和攝像頭已被逐漸配置于汽車中。攝像頭數(shù)據(jù)傳輸通常使用LVDS等接口，而傳輸LiDAR等傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)，采用車載以太網(wǎng)的案例則正逐漸增多。

辦公用以太網(wǎng)采用了100Base-TX或1000Base-T標(biāo)準(zhǔn)，而用于汽車的以太網(wǎng)則規(guī)定使用100Base-T1或1000Base-T1標(biāo)準(zhǔn)（下圖）。

以太網(wǎng)等的車載接口采用了外部噪聲的影響較少或輻射較少的差動(dòng)傳輸信號(hào)。

外部噪聲通常會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在兩條差動(dòng)傳輸信號(hào)線上，對(duì)其差分沒有影響，因此差動(dòng)傳輸信號(hào)線的抗外部噪聲能力較強(qiáng)。

針對(duì)外部噪聲

另外，成對(duì)的信號(hào)線相鄰，因此信號(hào)電流產(chǎn)生的磁場相互抵消，具有不易向外部輻射噪聲的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)噪聲輻射

差動(dòng)傳輸線雖然被認(rèn)為不易產(chǎn)生噪聲，但卻會(huì)由于各種因素而產(chǎn)生共模電流，從而引發(fā)噪聲問題（下圖）。

由于各種因素而產(chǎn)生共模電流

差動(dòng)傳輸線的特點(diǎn)原本是不產(chǎn)生共模噪聲，但如果兩條線的信號(hào)存在偏斜（時(shí)間偏差）或振幅偏差，則兩條線的信號(hào)均衡將被打破，從而產(chǎn)生共模噪聲（下圖）。

正常的差動(dòng)信號(hào)與存在偏斜時(shí)、有振幅偏差時(shí)的情況

差模：正常的差動(dòng)信號(hào)與存在偏斜時(shí)、有振幅偏差時(shí)的情況

共模：正常的差動(dòng)信號(hào)與存在偏斜時(shí)、有振幅偏差時(shí)的情況

用于以太網(wǎng)的電纜和HDMI、USB等的電纜之間有所區(qū)別。

與成對(duì)信號(hào)線不同，HDMI或USB等的電纜中備有GND線，因此即使產(chǎn)生共模電流，也會(huì)通過GND線返回，從而使共模電流產(chǎn)生的磁場相互抵消，不易發(fā)生輻射。相反，以太網(wǎng)未配置GND線，因此共模電流通過對(duì)地雜散電容返回，從而具有易輻射的傾向。

HDMI、USB等的電纜

電纜中添加了GND線，因此可消除共模電流所產(chǎn)生的部分磁場。所以， 因共模電流而產(chǎn)生的輻射減少。

以太網(wǎng)的電纜

以太網(wǎng)的電纜中沒有GND線，因此無法消除共模電流所產(chǎn)生的磁場。因共模電流而產(chǎn)生的輻射增大，因此需要通過元件進(jìn)行靜噪。

車載以太網(wǎng)等的差動(dòng)傳輸靜噪措施中，共模扼流圈（CMCC）較為有效。 共模扼流圈將兩條線以相反方向纏繞在同一卷芯部上，對(duì)于差模電流，兩條線產(chǎn)生的磁通相互抵消，因此不影響差動(dòng)電流，而對(duì)于共模電流，兩條線產(chǎn)生的磁通則相互加強(qiáng)，所以可用作電感器。因此，共模扼流圈可在不影響差動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上有效降低共模噪聲。

以太網(wǎng)的電纜，可選擇性地僅消除共模噪聲。

在車載以太網(wǎng)方面，CMCC的均衡也很重要。如果構(gòu)成CMCC的兩條線的線路長度和繞線方式出現(xiàn)偏差，電流均衡將被打破，模式將發(fā)生轉(zhuǎn)換，從而可能產(chǎn)生共模噪聲。因此，應(yīng)選用兩條線采用了均衡設(shè)計(jì)的CMCC。

用于車載以太網(wǎng)的CMCC的注意事項(xiàng)

如果兩個(gè)線圈之間的CMCC線路長度等存在偏差，則可能因模式轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生新的共模噪聲。 應(yīng)選擇模式轉(zhuǎn)換較少的元件。

作為最適合1000Base-T1靜噪的CMCC，DLW32MH101XT2已被作為產(chǎn)品開發(fā)。該村田產(chǎn)品具有適用于1000Base-T1的阻抗值，并采用了不易發(fā)生模式轉(zhuǎn)換的均衡設(shè)計(jì)。

村田使用1000Base-T1 EMC評(píng)估板進(jìn)行了傳導(dǎo)發(fā)射測量（150Ω法）。

傳導(dǎo)發(fā)射測量

傳導(dǎo)發(fā)射測量條件如下表：

從1000Base-T1 EMC評(píng)估板的信號(hào)線中提取共模噪聲，用EMI接收機(jī)進(jìn)行測量。此次通過 更換CMCC進(jìn)行了噪聲比較 。

不同CMCC的降噪效果比較

用于評(píng)估的CMCC使用了1000Base-T1用產(chǎn)品DLW32MH101XT2，比較對(duì)象使用了100Base-T1用產(chǎn)品DLW43MH201XK2，CAN使用了產(chǎn)品DLW32SH101XK2。（注：減少傳導(dǎo)發(fā)射時(shí)所使用的CMCC中，DLW32SH101XK2已停止生產(chǎn)）。

對(duì)比元件的傳輸特性，包括：

• Sdd21（差模傳輸特性）

• Scc21（共模傳輸特性）

• Sdd11（差模反射特性）

• Ssd12（模式轉(zhuǎn)換特性）

傳導(dǎo)發(fā)射測量結(jié)果顯示，1000Base-T1用產(chǎn)品DLW32MH101XT2的噪聲抑制效果最為明顯，且滿足限值要求。而DLW43MH201XK2、DLW32SH101XK2則未能在滿足限值要求之前抑制噪聲。

傳導(dǎo)發(fā)射測量結(jié)果

噪聲抑制效果因CMCC而不同的原因，可能是受到CMCC模式轉(zhuǎn)換特性Ssd12的影響。Ssd12值較高時(shí)，輸入的差模信號(hào)轉(zhuǎn)換為共模噪聲的比例將增加，從而導(dǎo)致噪聲水平增高。

噪聲產(chǎn)生機(jī)制

Scc21在低頻段抑制共模噪聲的程度、Ssd12的模式轉(zhuǎn)換特性在高頻段減少共模轉(zhuǎn)換量的程度，將可能影響傳導(dǎo)發(fā)射測量結(jié)果。

降噪要點(diǎn)

通過評(píng)估CMCC，村田了解了進(jìn)行評(píng)估時(shí) 評(píng)估板設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng) 。

將用于1000Base-T1的同一CMCC樣品貼裝到相同條件的評(píng)估板后，結(jié)果顯示二者噪聲水平有所不同，其中一個(gè)評(píng)估板變?yōu)镹G狀態(tài)。

即使是相同的CMCC樣品，也可能因評(píng)估板狀態(tài)而出現(xiàn)NG的情況。

評(píng)估板設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

通過對(duì)評(píng)估板的傳輸線路特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)CMCC輸出端的模式轉(zhuǎn)換特性有所不同，評(píng)估板#2的值較高（上圖）。

發(fā)生模式轉(zhuǎn)換的部分

傳導(dǎo)噪聲水平因評(píng)估板而異的原因在于，通過CMCC后的差模信號(hào)在評(píng)估板上轉(zhuǎn)換成了共模噪聲。

引發(fā)模式轉(zhuǎn)換的因素可能包括CMCC輸出端的電阻、電容器和電路板引線等，因其特性偏差而導(dǎo)致了不均衡現(xiàn)象的發(fā)生。

模式轉(zhuǎn)換發(fā)生機(jī)制

因此，對(duì)于CMCC以外的部分也應(yīng)注意保持各條線的特性均衡。

可能引發(fā)模式轉(zhuǎn)換的因素

作為對(duì)比驗(yàn)證，我們還測量了100Base-T1的傳導(dǎo)發(fā)射。

對(duì)100Base-T1進(jìn)行了相同的傳導(dǎo)發(fā)射測量后，發(fā)現(xiàn)用于CAN的DLW32SH101XK2超出限值，而100Base-T1用產(chǎn)品DLW43MH201XK2則能充分有效地抑制噪聲且滿足限值要求。

100Base-T1和1000Base-T1的傳導(dǎo)發(fā)射

村田使用與傳導(dǎo)發(fā)射相同的1000Base-T1 EMC評(píng)估板進(jìn)行了DPI（Direct Power Injection）試驗(yàn)。

抗擾度（DPI）試驗(yàn)對(duì)策

抗擾度(DPI)試驗(yàn)測量條件如下表：

從外部向1000Base-T1 EMC評(píng)估板的信號(hào)線注入共模噪聲，在控制PC中確認(rèn)了是否發(fā)生通信錯(cuò)誤。

抗擾度（DPI）試驗(yàn)對(duì)策

與傳導(dǎo)發(fā)射相同，該試驗(yàn)使用了用于1000Base-T1的CMCC，即DLW32MH101XT2、用于100Base-T1的DLW43MH201XK2，以及用于CAN的DLW32SH101XK2進(jìn)行了評(píng)估。

對(duì)比元件的傳輸特性，包括：

• Sdd21（差模傳輸特性）

• Scc21（共模傳輸特性）

• Sdd11（差模反射特性）

• Ssd12（模式轉(zhuǎn)換特性）

1000Base-T1的DPI試驗(yàn)結(jié)果：

在2MHz以下的低頻段中，雖然電平會(huì)因CMCC不同而產(chǎn)生差異，但除此之外的其他表現(xiàn)并無差異，滿足了所有限值。

1000Base-T1的DPI試驗(yàn)結(jié)果

在2MHz以下頻段，因CMCC而出現(xiàn)的不同可能取決于Scc21因素。因模式轉(zhuǎn)換特性而產(chǎn)生的差異并未影響DPI試驗(yàn)。

1000Base-T1的DPI試驗(yàn)結(jié)果

繼1000Base-T1之后，在100Base-T1下進(jìn)行的DPI試驗(yàn)結(jié)果(下圖)顯示，用于100Base-T1的CMCC滿足限值要求，而使用用于CAN的CMCC時(shí)，不僅在1MHz以下低頻段的表現(xiàn)遜色于用于100Base-T1的CMCC，且在8～60MHz范圍內(nèi)還低于限值，結(jié)果為NG。

100Base-T1的DPI試驗(yàn)結(jié)果

在2MHz以下頻段的不同可能取決于Scc21因素。此外，在8～60MHz頻段的不同則可能取決于模式轉(zhuǎn)換特性。

100Base-T1的DPI試驗(yàn)結(jié)果

在100Base-T1下，CMCC的模式轉(zhuǎn)換特性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了影響，其原因可能在于從外部注入的共模噪聲轉(zhuǎn)換為差模噪聲，使信號(hào)波形失真，進(jìn)而引發(fā)通信錯(cuò)誤。

噪聲侵入機(jī)制

與傳導(dǎo)發(fā)射相同，除CMCC以外，因評(píng)估板上不均衡的設(shè)計(jì)而發(fā)生的模式轉(zhuǎn)換也會(huì)產(chǎn)生影響，因此進(jìn)行評(píng)估板設(shè)計(jì)時(shí)需要加以注意?？赡芤l(fā)模式轉(zhuǎn)換的因素示例見下圖：

評(píng)估板設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)