車載以太網的高效噪音抑制

有望作為車載LAN的主干網絡的以太網

車載LAN可大致分為車體系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、多媒體及信息通信系統(tǒng)?，F(xiàn)在，以車體系統(tǒng)為中心最為普及的是CAN，數(shù)據(jù)傳輸速度最大可達到1Mbps(CAN-FD為5Mbps)，雖然動力傳動系統(tǒng)的FlexRay最大可達到10Mbps ，但這類車載LAN在數(shù)據(jù)傳輸速度及網絡等擴展性方面存在瓶頸。

而以太網則擁有100Mbps以上的高速數(shù)據(jù)傳輸速度，同時其作為主干網絡還擁有優(yōu)異的擴展性，由于可實現(xiàn)高度網絡結構，因此現(xiàn)在作為實現(xiàn)IVI系統(tǒng)、ADAS的接口而備受矚目。

在車載LAN中，除了LIN及低速CAN之外，一般采用差動傳輸方式。差動傳輸方式擁有輻射噪音等級低、對于外來噪音耐受力強等特點，因此被廣泛作為USB、IEEE1394等用于連接電腦與周邊設備的高速接口使用。但是，此類高速接口的電纜會起到輻射噪音或拾取噪音的天線的作用。因此，作為EMC對策，接口的連接器部上會使用共模濾波器。圖1所示為各類車載LAN的用途，以及此處使用的TDK推薦共模濾波器。

圖1 用于各類車載LAN的通信速度與EMC對策的TDK共模濾波器

作為可高速連接實現(xiàn)IVI(車載信息娛樂)系統(tǒng)及ADAS(高級駕駛輔助系統(tǒng))的傳感器系統(tǒng)、照相機系統(tǒng)電子設備的車載LAN，以太網的使用得到了不斷的推廣。

由OPEN聯(lián)盟SIG制定的車載以太網標準

共模濾波器不會對差模的信號電流產生影響，是一款有針對性地、可有效阻止共模噪音電流的EMC對策元件。但車內是一個存在因大電流產生的強磁場、電機等導致的誘導性噪音、火花塞導致的瞬時脈沖群類噪音等惡劣的噪音環(huán)境，因此對車載以太網用共模濾波器提出了比以往產品更高的特性要求。

在車載以太網用共模濾波器的要求特性方面，標準化團體OPEN聯(lián)盟SIG提出了"BroadR-Reach"的標準。通過使用了UTP電纜(非屏蔽、雙絞線)的差動傳輸方式，可實現(xiàn)100Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸速度。使用價廉且輕量的UTP電纜將會成為汽車制造商的巨大優(yōu)勢。這是因為，它將能夠大幅降低線束的長度與重量，同時可幫助實現(xiàn)汽車輕量化以及提高燃油效率。

車載以太網用共模濾波器的共模變換特性

車載以太網中噪音特性及信號質量使用了S參數(shù)作為指標。S參數(shù)是散射參數(shù)(Scattering parameter)的簡稱，若將電路中流動的交流信號作為波動，則該波動的反射及傳輸程度便可表示電路的特性。

圖3為兩端口網絡(四端子電路)的S參數(shù)(混合模式S參數(shù))的概念圖。出于簡單化考慮，以下僅對正向進行說明。來自端口1側的入射波a1將會作為b2傳輸至端口2側，但一部分會反射回到端口1側。此時，傳輸波b2對入射波a1的比例以參數(shù)S21表示。該參數(shù)的濾波器特性幾乎與插入損失相同，因此一般以單位dB（分貝）表示21表示從端口1向端口2傳輸(2←1)。

圖2 車載以太網中共模濾波器的作用

車載以太網的優(yōu)勢在于可使用價廉的輕量UTP電纜，但對于共模噪音的EMC對策也變得愈發(fā)重要。

圖3 兩端口網絡S參數(shù)(混合模式S參數(shù))的概念圖

車載以太網用共模濾波器中，被稱為共模變換特性的參數(shù)十分重要（圖4）。
例如，具有代表性的Scd21共模變換特性則表示，從端口1側向端口2側傳輸時，差模(d)成分向共模(c)成分轉變的共模變換量(c←d)。簡單而言，Scd21越小，信號電流(差模成分)向共模成分的變換量則會變少，也就意味著共模噪音得到了抑制。

圖4共模變換特性的表述法

輕松滿足車載以太網的要求特性

TDK的車載以太網用共模濾波器ACT45L系列的頻率特性示例如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，差模成分幾乎暢通無阻(Sdd21)，而共模成分在10～100MHz左右條件下被大幅抑制(Scc21)。圖6為以往CAN用產品與ACT45L系列的共模變換特性比較，紅色實線為車載以太網的要求特性(Class A)。特性曲線越往圖表下方，則信號(差模)越難以變換為共模噪音，也就是說，其體現(xiàn)了作為共模濾波器的良好特性?？梢园l(fā)現(xiàn)， ACT45L系列在大頻率范圍中，其特性相比以往CAN用產品改善了約30dB，即使是車載以太網的嚴格要求特性也可輕松得以滿足。同時，ACT45L系列全工序得到了完全自動化，因此其擁有可確保統(tǒng)一的高質量、高可靠性的特性。4532尺寸的小型·低背形狀中，能夠在維持200μH(at 100kHz)的高電感值的同時，實現(xiàn)極其優(yōu)異的共模變換特性也是依靠了獨特的繞組設計與高精度的自動繞組系統(tǒng)。

圖5ACT45L的頻率特性示例

圖6以往產品與ACT45L系列的共模變換特性比較

總結

以太網作為可使車載攝像頭拍攝到的高畫質影像等為汽車的安全及舒適行駛服務的車載LAN，由于其可高速傳輸大容量數(shù)據(jù)，因此使用數(shù)量得到了飛速增長。而車載以太網用共模濾波器ACT45L系列便是使用了TDK長年積累而來的鐵氧體技術、繞線技術、設計技術等開發(fā)而成的產品。符合CAN標準的以往產品ACT45B系列/ACT45R系列、符合CAN標準/FlexRay標準的小型產品ACT1210系列等均為進一步充實車載LAN用共模濾波器產品線做出了貢獻。

主要特點、用途、規(guī)格、電氣特性

主要特點

小型·低背型(封裝面積4.5×3.2mm、高2.8mm)

通過獨特的繞線設計以及高精度自動繞線系統(tǒng)，在維持200μH高電感值的同時，實現(xiàn)高共模變換特性Scd21的高特性化

通過完全自動化的生產工藝，確保了統(tǒng)一高質量、高可靠性

無焊錫設計

符合AEC-Q200

符合RoHS指令、支持無鉛

主要用途

包括車載攝像頭提供的影像信息及音響信息在內的車內環(huán)境用以太網系統(tǒng)中的EMC對策。

主要電氣特性