用于汽車以太網(wǎng)車載系統(tǒng)中噪聲抑制的共模扼流圈

對高速汽車網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增加并達(dá)到更高的復(fù)雜程度，以支持駕駛員安全、減少環(huán)境負(fù)荷并提高乘客舒適度。然而，進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)的是采用高清攝像頭進(jìn)行停車輔助、鳥瞰視覺系統(tǒng)、雷達(dá)和激光雷達(dá)來增強 ADAS 系統(tǒng)。隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向全自動駕駛汽車，連接性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。用于車載網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)總線，例如 LIN、CAN 和 CAN-FD，在速度和帶寬方面已達(dá)到極限。

對高速汽車網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增加并達(dá)到更高的復(fù)雜程度，以支持駕駛員安全、減少環(huán)境負(fù)荷并提高乘客舒適度。然而，進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)的是采用高清攝像頭進(jìn)行停車輔助、鳥瞰視覺系統(tǒng)、雷達(dá)和激光雷達(dá)來增強 ADAS 系統(tǒng)。隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向全自動駕駛汽車，連接性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。用于車載網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)總線，例如 LIN、CAN 和 CAN-FD，在速度和帶寬方面已達(dá)到極限。
同時，所有這些系統(tǒng)和子系統(tǒng)都需要復(fù)雜的布線網(wǎng)絡(luò)。隨著汽車制造商從內(nèi)燃機(jī) (ICE) 轉(zhuǎn)向全電動汽車 (EV) 以滿足環(huán)保目標(biāo)，減少電纜尺寸和重量增加了挑戰(zhàn)。畢竟，更輕的電動汽車會增加電池的續(xù)航里程。在這種情況下，以適當(dāng)?shù)某杀臼褂酶?xì)、更輕的電纜來滿足高帶寬、低延遲、確定性、穩(wěn)健和可靠的通信需求，促使汽車制造商權(quán)衡使用以太網(wǎng)的利弊。
以太網(wǎng)已經(jīng)在辦公室和家庭環(huán)境中廣泛使用，而它的近親工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)使物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 成為現(xiàn)實。然而，其在汽車環(huán)境中以太網(wǎng)的使用僅限于非關(guān)鍵系統(tǒng)。基于兩個差分對的傳統(tǒng) 100BASE-TX 以太網(wǎng)電纜過于昂貴。另一方面，CAT 5 電纜不符合汽車 EMI 標(biāo)準(zhǔn)，因此無法用于診斷以外的車載網(wǎng)絡(luò)。
為了滿足重量、EMI 和成本要求，電氣和電子工程師協(xié)會 (IEEE) 定義了 IEEE 802.3bw 標(biāo)準(zhǔn)，也稱為 100BASE-T1?；诜瞧帘坞p絞線 (UTP) 電纜的汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)正在成為車載網(wǎng)絡(luò)的支柱，可提供 100Mbps 的速度并取代速度明顯較慢的 CAN 和 CAN-FD 總線協(xié)議。在 1Gbps 下，速度更快的 1000BASE-T1 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.3bp 旨在解決當(dāng)前和下一代架構(gòu)中的帶寬瓶頸。
自 2011 年成立以來，OPEN（一對以太網(wǎng)）聯(lián)盟特別興趣小組(SIG) 在汽車以太網(wǎng)的廣泛采用中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，建議使用 100BASE-T1 和 1000BASE-T1雙絞線。它建立了開放式汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) (BroadR-Reach)，現(xiàn)在 OEM 和供應(yīng)商將其作為其指定要求的一部分進(jìn)行引用。而且，通過與 IEEE 和 ISO 等其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)保持密切聯(lián)系，汽車以太網(wǎng)的應(yīng)用正在激增。
汽車以太網(wǎng)初用于診斷，可以優(yōu)化和簡化應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)，以提高數(shù)據(jù)傳輸速度。網(wǎng)絡(luò)速度的提高意味著信號質(zhì)量至關(guān)重要。車輛內(nèi)的不同系統(tǒng)已從商品產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩a(chǎn)品。例如，在過去，倒車攝像頭并不被視為自動駕駛車輛內(nèi)的關(guān)鍵組件；然而，這一切都已經(jīng)改變，你不能讓這些系統(tǒng)出現(xiàn)故障。在這里，信號不會受到損害或丟失。
EMC 對策在汽車設(shè)計中發(fā)揮著不可或缺的作用。為了開發(fā)、準(zhǔn)確和安全的解決方案，工程師必須限度地減少共模噪聲，這在差分傳輸線中會成為問題。例如，您的電路板上可能有一個靠近電源的電路。在工作期間，它可能會向地線發(fā)送浪涌，導(dǎo)致電壓升高，從而將共模噪聲引入信號線。這種噪聲會干擾音頻、視頻、數(shù)據(jù)和通信信號，并損壞互連設(shè)備。共模噪聲也可能來自其他地方并饋入線路。
使用共模扼流圈濾除共模頻率可產(chǎn)生具有所需頻率的非常干凈的信號。如果所選組件不滿足正確的過濾要求，則可能會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問題，例如，備用攝像頭的視頻流無法通過。獲取數(shù)據(jù)至關(guān)重要，并且需要滿足某些參數(shù)。因此，電路設(shè)計人員在選擇共模扼流圈時需要小心；選擇符合 OPEN Alliance 散射參數(shù)或 S 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格要求的參數(shù)至關(guān)重要。
S 參數(shù)測試將 xBASE-T1 UTP 視為平衡傳輸線，并檢查反射是否會導(dǎo)致過多的功率損耗或模式轉(zhuǎn)換，從而破壞信號。測試包括：
Sdd21——輸入差分插入損耗，表示差模傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量損失
Scc21 – 共模衰減，表示噪聲抑制性能
Sdd11 – 輸入差分回波損耗測量反射的幅度（以 dB 為單位），表示功率損失
Ssd21 – 差分共模抑制測量收發(fā)器側(cè)的幅度（以 dB 為單位）
由于 S 參數(shù)隨測量頻率而變化，因此除了特性阻抗或系統(tǒng)阻抗之外，還必須指定頻率。
為了展示選擇符合 OPEN 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的共模扼流圈的重要性，我們比較了 TDK ACT1210 系列的兩個元件。ACT1210L-201 符合 OPEN Alliance 100BASE-T1 標(biāo)準(zhǔn)，而用于 CAN-BUS 的 ACT1210-110 則不符合這些標(biāo)準(zhǔn)。
ACT1210-110 和 ACT1210L-201

圖 1：用于 CAN-BUS 的 ACT1210-110 與用于汽車以太網(wǎng)的 ACT1210L-201 的比較

從S參數(shù)比較（圖1）可以看出，不合格的ACT1210-110組件無法滿足OPEN聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)。不是為汽車以太網(wǎng)設(shè)計的組件的 EMI 噪聲抑制和 BCI 抗擾度較差。因此，可能會輻射噪聲并干擾信號，從而影響其他通信。S參數(shù)的Sdd21特性具有波形質(zhì)量，Scc21特性具有EMC抑制效果，Ssd21（DCMR）特性是影響B(tài)CI電阻的參數(shù)。因此，需要選擇與模式轉(zhuǎn)換特性DCMR（Ssd21）兼容的共模扼流圈，同時確保符合OPEN聯(lián)盟S參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的高電感值。
因此，TDK 提供了廣泛的先進(jìn)產(chǎn)品組合來解決這一問題，包括符合 OPEN 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的共模扼流圈。ACT1210L (100BASE-T1) 和 ACT1210G (1000BASE-T1) 系列在行業(yè)中的獨特之處在于磁芯鐵氧體材料的選擇和所使用的繞線技術(shù)的結(jié)合。TDK 擁有豐富的經(jīng)驗，并鑒于其傳統(tǒng)的鐵氧體材料定義了適合信號濾波的磁芯材料。自動繞線系統(tǒng)采用了一種消除電容的技術(shù)，電容通常是在繞線過程中引入的。它還抵消了材料本身的損失。與手動上弦相比，使用自動上弦的另一個好處是設(shè)計可重復(fù)且一致，確保不同批次之間的電氣性能沒有偏差。該組件的整體結(jié)構(gòu)也非常堅固。我們使用激光焊接來確保元件的良好端接，在回流焊接過程中不會受到損害。
ACT1210L和ACT1210G系列實現(xiàn)了業(yè)界的性能特征，特別是在滿足Ssd21要求的模式轉(zhuǎn)換能力方面。這些符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)的無源元件采用緊湊型 3225 尺寸，支持 -40°C 至 +125°C 的工作溫度范圍。ACT1210L 可以實現(xiàn)高水平的 Scd21 模式轉(zhuǎn)換特性，同時在 100kHz 下保持高達(dá) 200μH 的高電感值。ACT1210G 面向更快的 1000BASE-T 應(yīng)用，具有相同的 3225 占位面積，還實現(xiàn)了高 S 參數(shù)，在 100kHz 時的電感值為 80μH。
ACT1210G 共模扼流圈的 S 參數(shù)

圖 2：ACT1210G 共模扼流圈的 S 參數(shù)以及它們與 OPEN Alliance 限制的比較

結(jié)論
目前，汽車以太網(wǎng)剛剛興起，幾乎所有車輛都使用它進(jìn)行診斷。隨著越來越多的攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)和其他傳感器設(shè)備用于關(guān)鍵車載系統(tǒng)，將需要更快的速度和更高的處理能力，這將進(jìn)一步推動汽車以太網(wǎng)的使用。隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向更多 L3 和 L4 自主系統(tǒng)，這一點是一致的。
TDK在信號濾波領(lǐng)域擁有多年的經(jīng)驗。在開發(fā)汽車級 ACT1210 共模扼流圈時，我們的工程師在將其推向市場之前與半導(dǎo)體制造商密切合作。這使我們能夠了解供應(yīng)商和其他 OEM 所要求的過濾要求和可用 PCB 占用空間 - 一種三角關(guān)系。
對于共模扼流圈，TDK 超越了汽車行業(yè)的要求。我們的汽車級以太網(wǎng)組件在日本的內(nèi)部設(shè)施中經(jīng)過了嚴(yán)格的測試，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的更嚴(yán)格的限制線。此外，該組件的整體結(jié)構(gòu)非常堅固。