【導讀】隨著(zhù)現代汽車(chē)的網(wǎng)聯(lián)化日益普及，對電子系統的依賴(lài)程度越來(lái)越高，汽車(chē)以太網(wǎng)在車(chē)企平臺上的采用率也在穩步上升。如今，以太網(wǎng)已成為車(chē)載信息互聯(lián)中至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議之一，支持診斷、信息娛樂(lè )、導航和通信等廣泛的功能。
事實(shí)上，由于具有高數據傳輸速率、可擴展性和低延遲等技術(shù)特性，汽車(chē)以太網(wǎng)很有可能在下一代汽車(chē)中站穩腳跟。不過(guò)，技術(shù)永遠不會(huì )停滯不前，工程師們一直在尋找新的方案，推動(dòng)以太網(wǎng)的發(fā)展，以確保其能夠適應未來(lái)所需。
在本文中，我們將介紹汽車(chē)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(chē)區域架構中的功能和優(yōu)勢。接下來(lái)，本文將討論典型的10BASE-T1S汽車(chē)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健而可靠的保護。
以太網(wǎng)在汽車(chē)中的應用
隨著(zhù)汽車(chē)中電子控制單元（ECU）數量的增長(cháng)和速度的提升，汽車(chē)行業(yè)意識到，以前為其提供支持的傳統車(chē)載網(wǎng)絡(luò )（例如CAN）所提供的帶寬，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新的需求。在2000年代中期，汽車(chē)制造商開(kāi)始探索將可信以太網(wǎng)協(xié)議作為數據連接選項。
2016年，IEEE在其IEE802.3bw文檔中發(fā)布了第一個(gè)汽車(chē)以太網(wǎng)標準100BASE-T1。與IEEE合作的是OPEN聯(lián)盟（One-Pair EtherNet Alliance），這是一個(gè)非營(yíng)利性的開(kāi)放行業(yè)聯(lián)盟，主要由汽車(chē)行業(yè)廠(chǎng)商和技術(shù)提供商組成，旨在通過(guò)聯(lián)盟成員的合作，推動(dòng)在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )應用中大規模采用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )，并制定新的標準和測試規范。
雖然傳統以太網(wǎng)（10/100 BASE-T）與其面向汽車(chē)行業(yè)的“親緣”標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(xiàn)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擾，同時(shí)也可以減輕來(lái)自其他干擾源的影響。
但是，傳統以太網(wǎng)使用兩對電纜：一對在一個(gè)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(chē)以太網(wǎng)僅使用一對電纜（稱(chēng)為單對以太網(wǎng)或SPE）進(jìn)行發(fā)送和接收，這意味著(zhù)更少的電纜使用、成本更低。而且單對也意味著(zhù)“平衡”，因為其在每根導線(xiàn)上傳輸幅度相等但極性相反的信號。傳統以太網(wǎng)的電纜長(cháng)度可達100米，而汽車(chē)以太網(wǎng)的長(cháng)度僅能達到15米，該距離更契合車(chē)輛的大小和規模的要求。
這兩個(gè)版本以太網(wǎng)標準的另一個(gè)關(guān)鍵的區別在于，適用于計算的RJ45連接器對于汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)太大了，因此需要更換。但是，人們就標準連接器類(lèi)型尚未達成一致。傳統標準使用多級傳輸（MLT-3）編碼，該編碼通過(guò)三個(gè)電壓電平周期將比特數據編碼到電纜上。
相比之下，汽車(chē)以太網(wǎng)采用的脈沖幅度調制（PAM）是對具有不同幅度的電壓的比特數據進(jìn)行編碼，因此可以在每次通信中發(fā)送更多位的數據。將此方案與其他編碼技術(shù)相結合可降低傳輸頻率，有助于減少電磁干擾（EMI）和串擾。100Mb/s IEEE802.3bw版本的以太網(wǎng)標準已廣泛應用于交換式點(diǎn)對點(diǎn)汽車(chē)應用，如圖1所示。
圖1：汽車(chē)以太網(wǎng)通常以交換網(wǎng)絡(luò )的形式實(shí)現
（圖源：TDK）
10BASE-T1S的誕生
以太網(wǎng)開(kāi)始時(shí)是為多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )設計的，采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路存?。﹨f(xié)議傳輸數據。雖然這種“盡力而為”的數據傳輸技術(shù)滿(mǎn)足了通用計算的網(wǎng)絡(luò )要求，但其由數據包沖突引起的非確定性——即無(wú)法保證在指定的時(shí)間間隔內傳輸數據——意味著(zhù)多點(diǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )不適用于安全敏感型的實(shí)時(shí)應用。
隨著(zhù)高級駕駛輔助系統（ADAS）等更多安全功能被添加到新的車(chē)型中，這一“短板”對汽車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)成為了關(guān)鍵問(wèn)題，汽車(chē)行業(yè)也在尋找向新型區域架構過(guò)渡的方法。區域體系結構中的連接基于物理位置，而不是基于域的體系結構中所支持的功能。這樣做的好處是能夠減少ECU的數量，從而減小線(xiàn)束的尺寸。此外，它還消除了硬件和軟件之間的相互依賴(lài)，從而實(shí)現面向服務(wù)的體系結構（SOA）。
10BASE-T1S就是為了滿(mǎn)足汽車(chē)（和工業(yè)）領(lǐng)域對可靠和確定性高速數據通信的要求而開(kāi)發(fā)的。它作為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）系列標準IEEE 802.3cg的一部分。10BASE-T1S與其他汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)不同，因為它支持多點(diǎn)拓撲，其中所有節點(diǎn)都使用相同的非屏蔽雙絞線(xiàn)電纜連接。
由于總線(xiàn)的部署只需要在每個(gè)節點(diǎn)上有一個(gè)以太網(wǎng)接口（PHY），而無(wú)需像其他形式的汽車(chē)以太網(wǎng)那樣采用交換機或星形拓撲，因此成本更低。該標準規定至少支持八個(gè)節點(diǎn)，且可以支持長(cháng)達25米的總線(xiàn)長(cháng)度。
10BASE-T1S的另一個(gè)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 )節點(diǎn)的數量和傳輸的數據量。每個(gè)節點(diǎn)都可以進(jìn)行數據發(fā)送。如果沒(méi)有要發(fā)送的數據，它會(huì )將傳送機會(huì )傳遞給下一個(gè)節點(diǎn)，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(zhù)其也支持供電。這樣就可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化布線(xiàn)并減小連接器尺寸，提高整體網(wǎng)絡(luò )可靠性。PoDL（數據線(xiàn)供電）功能已經(jīng)可用于點(diǎn)對點(diǎn)應用，IEEE目前正在努力將此功能擴展至多點(diǎn)拓撲并實(shí)現標準化。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(lái)源：TDK）
10BASE-T1S
網(wǎng)絡(luò )保護的挑戰與對策
雖然以太網(wǎng)提供了出色的鏈路魯棒性，但在汽車(chē)等電氣噪聲復雜的環(huán)境中部署以太網(wǎng)，會(huì )面臨著(zhù)前所未有的挑戰。用于驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)（EV）的電機是輻射或傳導 EMI 噪聲的來(lái)源。EMI和電氣瞬變形成的噪聲源，會(huì )對高速數據傳輸產(chǎn)生干擾。雖然雙絞線(xiàn)SPE電纜能夠減少共模噪聲的影響，但還是不可避免地會(huì )產(chǎn)生一些感應噪聲。
傳導噪聲和輻射噪聲有不同的類(lèi)型：
共模噪聲
共模噪聲表現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(shí)保持所需差分信號的不間斷傳輸，開(kāi)發(fā)者經(jīng)常會(huì )采用共模扼流圈（CMC）——它是由圍繞鐵氧體磁芯的兩個(gè)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(dòng)，可以使用由電感、電容或差模扼流圈組成的濾波器進(jìn)行抑制。
靜電放電（ESD）
靜電放電（ESD）會(huì )導致瞬態(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(shuō)明了如何利用CMC和壓敏電阻的組合來(lái)保護網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)中包含多個(gè)ECU的典型多點(diǎn)10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò )。
圖2：在多點(diǎn)架構中保護10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)（圖源：TDK）
實(shí)現SPE保護
由于10BASE-T1S采用多點(diǎn)連接，許多ECU連接在一條總線(xiàn)上，因此由于線(xiàn)束的長(cháng)度不可避免地會(huì )發(fā)生信號反射。而且，多個(gè)ECU引入的額外電容會(huì )導致數據信號振鈴。此外，由于差分通信線(xiàn)路中使用的電子元件的性質(zhì)，傳導模式有時(shí)可以從差模轉換為共模，反之亦然，這稱(chēng)為模式轉換。
模式轉換導致差分信號轉換為噪聲或噪聲轉換為差分信號，從而導致ECU的抗噪性變差，由此可能導致其發(fā)生故障或產(chǎn)生更多噪聲。
這些問(wèn)題是由于差分通信線(xiàn)路中的不對稱(chēng)（電感和電容的差異）引起的。對于汽車(chē)以太網(wǎng)，模式轉換特性（Sdc11、Ssd21、Ssd12）、回波損耗（Sdd11）和插入損耗（Sdd21）通常用于元件選擇和ECU設計。IEEE802.3cg中（Sdd11，Sdc11）已經(jīng)為這些S（散射）參數建立了標準線(xiàn)。因此，單個(gè)和組合組件的S參數是設計ECU時(shí)必不可少的指標。
TDK的ACT1210E系列共模扼流圈/濾波器是用于汽車(chē)以太網(wǎng)10BASE-T1S的產(chǎn)品。這些器件采用TDK專(zhuān)有的繞線(xiàn)結構和材料，可實(shí)現出色的S參數值（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(xiàn)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的工作溫度范圍內具有很高的抗熱沖擊特性及出色的可靠性。表2總結了TDK推薦的用于汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的ACT系列CMC的主要特性。這些CMC符合10BASE-T1S EMC測試規范，其出色的匝間雜散電容和模式轉換特性使其成為10BASE-T1S安裝的理想選擇。
*符合OPEN聯(lián)盟10BASE-T1S EMC測試規范
表2：可降低汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )中共模和差模噪聲的CMC（資料來(lái)源：TDK）
ACT1210E
以太網(wǎng)10BASE-T1S共模濾波器
TDK ACT1210E共模濾波器設計用于汽車(chē)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標準。由于使用了TDK專(zhuān)有的繞線(xiàn)結構和高品質(zhì)材料，可實(shí)現高散射參數（S參數）和高至10pF的線(xiàn)對線(xiàn)電容。ACT1210E的工作溫度范圍為-40℃至+125℃，通過(guò)將繞組線(xiàn)激光焊接到金屬化端子，可實(shí)現高耐熱性和出色的可靠性。
圖4：ACT1210E共模濾波器結構
（圖源：TDK）
同樣，設計中對于ESD抑制元件也有嚴格的要求，包括與標準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(huì )降低。這些壓敏電阻為ECU網(wǎng)絡(luò )設計提供了高ESD抗擾度，同時(shí)對通信質(zhì)量和模式轉換特性的影響極小。它們還符合AEC-Q200汽車(chē)可靠性標準，這使其很適合作為10BASE-T1S汽車(chē)以太網(wǎng)應用中的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(lái)源：TDK）
AVR-H
壓敏電阻系列
TDK的AVR-H壓敏電阻符合AEC-Q200標準，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，在與現有元件性能相當的情況下，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標準要求，是10BASE-T1S汽車(chē)以太網(wǎng)，以及LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay等傳統車(chē)載網(wǎng)絡(luò )保護的理想選擇。
圖5：AVR-H壓敏電阻在SPE保護中的應用
（圖源：TDK）
打造可靠而穩健的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )
總之，在支持下一代車(chē)輛區域架構部署方面，多點(diǎn)10BASE-T1S技術(shù)將發(fā)揮核心作用。當然，在不影響帶寬和延遲等因素的前提下，確保網(wǎng)絡(luò )可靠性和穩健性仍然是工程師設計時(shí)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(shí)現這一目標的必要條件。
TDK提供符合汽車(chē)標準的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(chē)以太網(wǎng)（例如100BASE-T1）和其他傳統汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )。如需了解相關(guān)產(chǎn)品和解決方案的更多技術(shù)信息，請訪(fǎng)問(wèn)貿澤電子官網(wǎng)中的專(zhuān)題頁(yè)——
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