車載以太網(wǎng)的高效噪音抑制

有望作為車載LAN的主干網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)

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(dá)到1Mbps(CAN-FD為5Mbps)，雖然動力傳動系統(tǒng)的FlexRay最大可達(dá)到10Mbps ，但這類車載LAN在數(shù)據(jù)傳輸速度及網(wǎng)絡(luò)等擴(kuò)展性方面存在瓶頸。

而以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)還擁有優(yōu)異的擴(kuò)展性，由于可實(shí)現(xiàn)高度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此現(xiàn)在作為實(shí)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(qiáng)等特點(diǎn)，因此被廣泛作為USB、IEEE1394等用于連接電腦與周邊設(shè)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(shí)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(jī)系統(tǒng)電子設(shè)備的車載LAN，以太網(wǎng)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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

共模濾波器不會對差模的信號電流產(chǎn)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(nèi)是一個存在因大電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場、電機(jī)等導(dǎo)致的誘導(dǎo)性噪音、火花塞導(dǎo)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(wǎng)用共模濾波器提出了比以往產(chǎn)品更高的特性要求。

在車載以太網(wǎng)用共模濾波器的要求特性方面，標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體OPEN聯(lián)盟SIG提出了"BroadR-Reach"的標(biāo)準(zhǔn)。通過使用了UTP電纜(非屏蔽、雙絞線)的差動傳輸方式，可實(shí)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?yàn)?，它將能夠大幅降低線束的長度與重量，同時可幫助實(shí)現(xiàn)汽車輕量化以及提高燃油效率。

車載以太網(wǎng)用共模濾波器的共模變換特性

車載以太網(wǎng)中噪音特性及信號質(zhì)量使用了S參數(shù)作為指標(biāo)。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(wǎng)絡(luò)(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(jìn)行說明。來自端口1側(cè)的入射波a1將會作為b2傳輸至端口2側(cè)，但一部分會反射回到端口1側(cè)。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(wǎng)中共模濾波器的作用

車載以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)S參數(shù)(混合模式S參數(shù))的概念圖

車載以太網(wǎng)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(cè)向端口2側(cè)傳輸時，差模(d)成分向共模(c)成分轉(zhuǎn)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(wǎng)的要求特性

TDK的車載以太網(wǎng)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(chǎn)品與ACT45L系列的共模變換特性比較，紅色實(shí)線為車載以太網(wǎng)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。可以發(fā)現(xiàn)， ACT45L系列在大頻率范圍中，其特性相比以往CAN用產(chǎn)品改善了約30dB，即使是車載以太網(wǎng)的嚴(yán)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(zhì)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(shí)現(xiàn)極其優(yōu)異的共模變換特性也是依靠了獨(dú)特的繞組設(shè)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(chǎn)品與ACT45L系列的共模變換特性比較

總結(jié)

以太網(wǎng)作為可使車載攝像頭拍攝到的高畫質(zhì)影像等為汽車的安全及舒適行駛服務(wù)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(wǎng)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(shù)、繞線技術(shù)、設(shè)計技術(shù)等開發(fā)而成的產(chǎn)品。符合CAN標(biāo)準(zhǔn)的以往產(chǎn)品ACT45B系列/ACT45R系列、符合CAN標(biāo)準(zhǔn)/FlexRay標(biāo)準(zhǔn)的小型產(chǎn)品ACT1210系列等均為進(jìn)一步充實(shí)車載LAN用共模濾波器產(chǎn)品線做出了貢獻(xiàn)。

主要特點(diǎn)、用途、規(guī)格、電氣特性

主要特點(diǎn)

小型·低背型(封裝面積4.5×3.2mm、高2.8mm)

通過獨(dú)特的繞線設(shè)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(shí)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(chǎn)工藝，確保了統(tǒng)一高質(zhì)量、高可靠性

無焊錫設(shè)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(nèi)的車內(nèi)環(huán)境用以太網(wǎng)系統(tǒng)中的EMC對策。

主要電氣特性