车载以太网——面向汽车设计的EMI挑战

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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。

 

 

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以太网和CAN总线传输方式比较

从网络的连接来看,CAN总线通过物理信号来进行连接,而以太网则是交换机连接。在以太网连接中交换机是必要的,一旦交换机有所差池整个网络都将崩溃。将整个网络的安危交一台太脆弱的交换机来承担实在是太过于儿戏,而若是设置冗余备用又要增加许多成本。相比之下CAN总线的结构非常简单,仅需拉两条线而已,简洁而稳定。对于安全第一的汽车来讲,无疑是CAN总线更为适合。而且以太网采取超时重发机制,单个节点的故障很容易扩散到整个网络,相较于CAN总线的分级仲裁制度也是逊色了不少。

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为什么很多物联网设备的EMI测试都会失败?

根据IEEE规定,一个物联网设备的基本定义可归纳为任何被分配了IP地址、并且能够通过网络传送数据的物体。因此物联网设备可以是任何东西。事实上,物联网设备范围非常广泛,从低成本的消费类小物件(比如具有蓝牙功能的5美元钥匙寻找器),到用于医疗、制造、交通运输和公用事业的非常先进的复杂传感器网络。大多数(并不是所有的)物联网产品都有某种无线功能,对许多设计师来说,RF元件可能是个绊脚石,一些工程师也不把无线和EMI测试当回事。

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