汽車車載以太網(wǎng)EMI設計挑戰(zhàn)

如今，以太網(wǎng)已能夠正式進入諸如CAN、LIN、FlexRay和MOST這樣的汽車網(wǎng)絡行列。但是，既然已經(jīng)有如此多的網(wǎng)絡存在，我們?yōu)槭裁催€需要以太網(wǎng)？以太網(wǎng)具體可用于哪些汽車應用？ 事實上答案很簡單，并且可一語道出以太網(wǎng)如今在辦公網(wǎng)絡領域一統(tǒng)天下的原因。簡易性和經(jīng)過現(xiàn)場驗證的開放標準，大大降低了以太網(wǎng)在每一種應用情況下的擁有成本，這也是以太網(wǎng)最近深受工廠和家庭技術用戶青睞的部分原因。在眾多以太網(wǎng)供應商的支持下，龐大的辦公市場和急劇膨脹的消費市場使以太網(wǎng)的定價水平能夠遠低于任何“定制”協(xié)議的定價。

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汽車以太網(wǎng)的最初應用通常包括車載診斷系統(tǒng)(OBD)，它大大縮短了軟件的下載時間。似乎有一種普遍的共識：OBD將轉(zhuǎn)向基于IP的接口(即以太網(wǎng)的物理層)，而非速度較慢的傳統(tǒng)CAN。展望未來，“實時”以太網(wǎng)AVB(音頻視頻橋接)將能夠提供高性能的資訊娛樂網(wǎng)絡解決方案，但是其所面臨的挑戰(zhàn)，不僅僅是單純的技術問題。即使當汽車停在服務站(即并未行駛)時，OBD 應用同樣可以正常運行。當汽車行駛時，汽車制造商需要更加嚴格的EMI要求。以太網(wǎng)從未針對此類應用進行專門設計。那么，這項技術是否能夠應對挑戰(zhàn)？

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耐熱和 EMC 性能

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工業(yè)控制市場已經(jīng)證明，以太網(wǎng)網(wǎng)絡能夠在極端條件下實現(xiàn)強勁的性能。大部分此類應用通常會面對較大的溫度變化范圍、劇烈震動、高EMC輻射以及灰塵或潮濕環(huán)境。以太網(wǎng)設備采用低功耗和封裝設計，固此在將發(fā)動機環(huán)境溫度升高到+85°C(正常溫度)以上時，不會出現(xiàn)散熱問題。例如，麥瑞半導體的KSZ8041NL AM單端口快速以太網(wǎng)PHY解決方案(符合AECQ-100 標準)，在耐熱增強的5mm x5mm MLF? 封裝內(nèi)，僅消耗175mW。KSZ8041NL 系列還提供軍用規(guī)格變體，支持高達125°C的環(huán)境溫度。

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由于工業(yè)和汽車市場的需求，許多新一代以太網(wǎng)設備都具備顯著改善的ESD(靜電放電)性能。這是一個重大的觀念轉(zhuǎn)變，以前的辦公應用并不十分重視 ESD 額定值。例如，麥瑞半導體KSZ8041 PHY和KSZ8851控制器系列的HBM(人體模型)ESD 額定值都大于 6KV。評估板也顯示能夠提供大于9kV的接觸ESD和大于16.5kV的空氣ESD 額定值，而不需要任何外部過電壓保護設備。這超越了一般汽車廠商的電磁兼容性(EMC)要求，例如由寶馬集團標準GS 95002的要求。

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電磁輻射

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目前行業(yè)對電磁干擾(EMI)性能的嚴格要求，是所有汽車電氣設備都要面臨的其中一項最嚴峻挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)速度的增長，信號傳輸速度也越來越快，這會導致更高的能量排放。行業(yè)面臨的第一個挑戰(zhàn)是要設定以太網(wǎng)技術的排放限值和所需帶寬。

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就視頻和相機成像傳輸來說，有關100Mbps快速以太網(wǎng)是否真正夠用，或是否需要推進千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度，仍然存有爭議。這種選擇很可能取決于相機應用程序是否支持視頻壓縮。

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圖1顯示以太網(wǎng)電路板的典型輻射特性，使用的是麥瑞半導體的KSZ9021千兆PHY。毫不奇怪，峰輻射位于參考時鐘的125Mbps諧波位置，超過了典型的OEM限值(此處以FlexRay為例)。

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為保持一致性，如今在汽車運行時，以太網(wǎng)可以使用雙絞線、同軸電纜或塑料光纖(POF)作為屏蔽電纜。標準以太網(wǎng)RJ45連接器和CAT5電纜具備非常強勁的性能，廣泛應用在多個領域中(包含工業(yè)領域)。

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但是，汽車應用中可能仍會采用(至少在最初階段)現(xiàn)有的供應商特定連接器和接線器。以后將逐漸傾向于采用如ISO 13400中規(guī)定的標準化IP診斷接口。以太網(wǎng)PHY(收發(fā)器)可靈活使用此類連接器和線纜，而不會使性能顯著降低。下表1列出了CAT5電纜的典型特性。

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標準CAN電纜具有與非屏蔽雙絞線CAT5電纜相似的特性。測試已證明了通過100m以上CAN電纜實現(xiàn)以太網(wǎng)長期無差錯傳輸?shù)目尚行浴＿@兩種電纜之間的主要區(qū)別是，CAN電纜僅部分指定，并且不提供受控的阻抗或絞紐率。這樣就無法保證EMC性能和信號完整性，所以CAN電纜一般不適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。CAN電纜目前用于以太網(wǎng)車載診斷系統(tǒng)(OBD)和閃存更新。這些線纜在正常行駛中可能會被禁用，只有在維修店或生產(chǎn)工廠中才能被激活。

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用于高速數(shù)據(jù)傳輸(例如汽車應用中的LVDS、USB和以太網(wǎng))的電纜示例包括“Leoni 電纜”。“Leoni 電纜”使用受控的100ohm阻抗進行屏蔽，可勝任高達1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸，性能指標類似于CAT6，而非 CAT5。它實際并非雙絞線，而是一種名為Stern-Vierer(譯作星絞四線)的四絞線。

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第一款具有受控阻抗的汽車非屏蔽電纜是Kroschu 的FlexRay電纜，它能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于CAN的EMC性能和信號完整性。雖然存在雙絞線對和Stern-Vierer等電纜類型，標準的FlexRay電纜是指單獨一個雙絞線。CAT5提供四線雙絞線，其中的所有雙絞線都將用于千兆網(wǎng)絡，而100Mbps快速以太網(wǎng)則只需使用其中兩對。

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為了提高可靠性，麥瑞半導體LinkMD等電纜診斷技術，提供了超越以太網(wǎng)定義標準的解決方案，以解決此類問題。LinkMD電纜診斷技術利用時域反射計(TDR)分析雙絞線電纜的常見問題，例如開路、短路和阻抗不匹配。

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塑料光纖(POF)是傳統(tǒng)CAT5銅線電纜的一種替代選擇。這種物理介質(zhì)部署在MOST網(wǎng)絡中，早已為汽車制造商所熟知。來自MOST(包括新的MOST-150)的相同1mm LED POF技術也可用于100米范圍的 100Mbps快速以太網(wǎng)傳輸。POF性能強大、質(zhì)量輕巧，并且像其他光纖一樣，完全不會產(chǎn)生電磁噪音(因沒有散發(fā)輻射)。

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然而，使用屏蔽電纜或POF的缺點在于成本高昂。目前，研究工作仍在繼續(xù)開展；我們期待著開發(fā)出使用非屏蔽電纜實現(xiàn)輻射水平要求(至少滿足快速以太網(wǎng))的方法。有些提議的方法需要使用其他調(diào)制技術，這樣會產(chǎn)生專有的不一致“以太網(wǎng)”。這并不符合以太網(wǎng)的獨特魅力和成功精髓：通過現(xiàn)場驗證、可互操作的開放標準，以及低廉的成本。此類方法不僅要實現(xiàn)開放性和自由訪問的要求，還涉及數(shù)量眾多的芯片供應商。這些方法能否順利成功，還有待觀察。

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理想的解決方案需要能夠增強標準以太網(wǎng)PHY設備的性能以減少EMI輻射。這些改進結(jié)合其他電路板和設備技術，為成功提供了現(xiàn)實機會，特別是快速以太網(wǎng)的成功。