车载以太网——面向汽车设计的EMI挑战

只看该作者 · 2011-4-10 20:22

如今，以太网已能够正式进入诸如CAN、LIN、FlexRay和MOST这样的汽车网络行列。但是，既然已经有如此多的网络存在，我们为什么还需要以太网？以太网具体可用于哪些汽车应用？事实上答案很简单，并且可一语道出以太网如今在办公网络领域一统天下的原因。简易性和经过现场验证的开放标准，大大降低了以太网在每一种应用情况下的拥有成本，这也是以太网最近深受工厂和家庭技术用户青睐的部分原因。在众多以太网供应商的支持下，庞大的办公市场和急剧膨胀的消费市场使以太网的定价水平能够远低于任何“定制”协议的定价。汽车以太网的最初应用通常包括车载诊断系统(OBD)，它大大缩短了软件的下载时间。似乎有一种普遍的共识：OBD将转向基于IP的接口(即以太网的物理层)，而非速度较慢的传统CAN。展望未来，“实时”以太网AVB(音频视频桥接)将能够提供高性能的资讯娱乐网络解决方案，但是其所面临的挑战，不仅仅是单纯的技术问题。即使当汽车停在服务站(即并未行驶)时，OBD 应用同样可以正常运行。当汽车行驶时，汽车制造商需要更加严格的EMI要求。以太网从未针对此类应用进行专门设计。那么，这项技术是否能够应对挑战？ 耐热和 EMC 性能 工业控制市场已经证明，以太网网络能够在极端条件下实现强劲的性能。大部分此类应用通常会面对较大的温度变化范围、剧烈震动、高EMC辐射以及灰尘或潮湿环境。以太网设备采用低功耗和封装设计，固此在将发动机环境温度升高到+85°C(正常温度)以上时，不会出现散热问题。例如，麦瑞半导体的KSZ8041NL AM单端口快速以太网PHY解决方案(符合AECQ-100 标准)，在耐热增强的5mm x5mm MLF? 封装内，仅消耗175mW。KSZ8041NL 系列还提供军用规格变体，支持高达125°C的环境温度。由于工业和汽车市场的需求，许多新一代以太网设备都具备显著改善的ESD(静电放电)性能。这是一个重大的观念转变，以前的办公应用并不十分重视 ESD 额定值。例如，麦瑞半导体KSZ8041 PHY和KSZ8851控制器系列的HBM(人体模型)ESD 额定值都大于 6KV。评估板也显示能够提供大于9kV的接触ESD和大于16.5kV的空气ESD 额定值，而不需要任何外部过电压保护设备。这超越了一般汽车厂商的电磁兼容性(EMC)要求，例如由宝马集团标准GS 95002的要求。 电磁辐射 目前行业对电磁干扰(EMI)性能的严格要求，是所有汽车电气设备都要面临的其中一项最严峻挑战。随着数据速度的增长，信号传输速度也越来越快，这会导致更高的能量排放。行业面临的第一个挑战是要设定以太网技术的排放限值和所需带宽。就视频和相机成像传输来说，有关100Mbps快速以太网是否真正够用，或是否需要推进千兆以太网数据传输速度，仍然存有争议。这种选择很可能取决于相机应用程序是否支持视频压缩。图1显示以太网电路板的典型辐射特性，使用的是麦瑞半导体的KSZ9021千兆PHY。毫不奇怪，峰辐射位于参考时钟的125Mbps谐波位置，超过了典型的OEM限值(此处以FlexRay为例)。
为保持一致性，如今在汽车运行时，以太网可以使用双绞线、同轴电缆或塑料光纤(POF)作为屏蔽电缆。标准以太网RJ45连接器和CAT5电缆具备非常强劲的性能，广泛应用在多个领域中(包含工业领域)。但是，汽车应用中可能仍会采用(至少在最初阶段)现有的供应商特定连接器和接线器。以后将逐渐倾向于采用如ISO 13400中规定的标准化IP诊断接口。以太网PHY(收发器)可灵活使用此类连接器和线缆，而不会使性能显著降低。下表1列出了CAT5电缆的典型特性。
标准CAN电缆具有与非屏蔽双绞线CAT5电缆相似的特性。测试已证明了通过100m以上CAN电缆实现以太网长期无差错传输的可行性。这两种电缆之间的主要区别是，CAN电缆仅部分指定，并且不提供受控的阻抗或绞纽率。这样就无法保证EMC性能和信号完整性，所以CAN电缆一般不适用于高速数据传输。CAN电缆目前用于以太网车载诊断系统(OBD)和闪存更新。这些线缆在正常行驶中可能会被禁用，只有在维修店或生产工厂中才能被激活。用于高速数据传输(例如汽车应用中的LVDS、USB和以太网)的电缆示例包括“Leoni 电缆”。“Leoni 电缆”使用受控的100ohm阻抗进行屏蔽，可胜任高达1Gbps的数据传输，性能指标类似于CAT6，而非 CAT5。它实际并非双绞线，而是一种名为Stern-Vierer(译作星绞四线)的四绞线。第一款具有受控阻抗的汽车非屏蔽电缆是Kroschu 的FlexRay电缆，它能够实现优于CAN的EMC性能和信号完整性。虽然存在双绞线对和Stern-Vierer等电缆类型，标准的FlexRay电缆是指单独一个双绞线。CAT5提供四线双绞线，其中的所有双绞线都将用于千兆网络，而100Mbps快速以太网则只需使用其中两对。
为了提高可靠性，麦瑞半导体LinkMD等电缆诊断技术，提供了超越以太网定义标准的解决方案，以解决此类问题。LinkMD电缆诊断技术利用时域反射计(TDR)分析双绞线电缆的常见问题，例如开路、短路和阻抗不匹配。塑料光纤(POF)是传统CAT5铜线电缆的一种替代选择。这种物理介质部署在MOST网络中，早已为汽车制造商所熟知。来自MOST(包括新的MOST-150)的相同1mm LED POF技术也可用于100米范围的 100Mbps快速以太网传输。POF性能强大、质量轻巧，并且像其他光纤一样，完全不会产生电磁噪音(因没有散发辐射)。
然而，使用屏蔽电缆或POF的缺点在于成本高昂。目前，研究工作仍在继续开展；我们期待着开发出使用非屏蔽电缆实现辐射水平要求(至少满足快速以太网)的方法。有些提议的方法需要使用其他调制技术，这样会产生专有的不一致“以太网”。这并不符合以太网的独特魅力和成功精髓：通过现场验证、可互操作的开放标准，以及低廉的成本。此类方法不仅要实现开放性和自由访问的要求，还涉及数量众多的芯片供应商。这些方法能否顺利成功，还有待观察。理想的解决方案需要能够增强标准以太网PHY设备的性能以减少EMI辐射。这些改进结合其他电路板和设备技术，为成功提供了现实机会，特别是快速以太网的成功。