打造可靠穩健汽車以太網，我們應該怎么做？

在本文中，我們將介紹汽車以太網的興起和演變，并分析其新近發展出的變體之一——10BASE-T1S——在新興汽車區域架構中的功能和優勢。接下來，本文將討論典型的10BASE-T1S汽車網絡的布局，以及如何使用TDK的共模扼流圈和壓敏電阻為其提供所需的穩健而可靠的保護。

以太網在汽車中的應用

隨著汽車中電子控制單元（ECU）數量的增長和速度的提升，汽車行業意識到，以前為其提供支持的傳統車載網絡（例如CAN）所提供的帶寬，已經無法滿足新的需求。在2000年代中期，汽車制造商開始探索將可信以太網協議作為數據連接選項。

2016年，IEEE在其IEE802.3bw文檔中發布了第一個汽車以太網標準100BASE-T1。與IEEE合作的是OPEN聯盟（One-Pair EtherNet Alliance），這是一個非營利性的開放行業聯盟，主要由汽車行業廠商和技術提供商組成，旨在通過聯盟成員的合作，推動在汽車網絡應用中大規模采用基于以太網的網絡，并制定新的標準和測試規范。

雖然傳統以太網（10/100 BASE-T）與其面向汽車行業的“親緣”標準版本之間存在相似之處，但也有一些明顯的差異。兩種版本都使用UTP電纜，即將兩根銅線絞合在一起，以減少電磁輻射，避免與其他電纜和組件之間的串擾，同時也可以減輕來自其他干擾源的影響。

但是，傳統以太網使用兩對電纜：一對在一個方向上傳輸發射信號，而另一對則在相反方向上傳輸接收信號。相較而言，汽車以太網僅使用一對電纜（稱為單對以太網或SPE）進行發送和接收，這意味著更少的電纜使用、成本更低。而且單對也意味著“平衡”，因為其在每根導線上傳輸幅度相等但極性相反的信號。傳統以太網的電纜長度可達100米，而汽車以太網的長度僅能達到15米，該距離更契合車輛的大小和規模的要求。

這兩個版本以太網標準的另一個關鍵的區別在于，適用于計算的RJ45連接器對于汽車應用來說太大了，因此需要更換。但是，人們就標準連接器類型尚未達成一致。傳統標準使用多級傳輸（MLT-3）編碼，該編碼通過三個電壓電平周期將比特數據編碼到電纜上。

相比之下，汽車以太網采用的脈沖幅度調制（PAM）是對具有不同幅度的電壓的比特數據進行編碼，因此可以在每次通信中發送更多位的數據。將此方案與其他編碼技術相結合可降低傳輸頻率，有助于減少電磁干擾（EMI）和串擾。100Mb/s IEEE802.3bw版本的以太網標準已廣泛應用于交換式點對點汽車應用，如圖1所示。

圖1：汽車以太網通常以交換網絡的形式實現

（圖源：TDK）

10BASE-T1S的誕生

以太網開始時是為多點網絡設計的，采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存?。﹨f議傳輸數據。雖然這種“盡力而為”的數據傳輸技術滿足了通用計算的網絡要求，但其由數據包沖突引起的非確定性——即無法保證在指定的時間間隔內傳輸數據——意味著多點以太網網絡不適用于安全敏感型的實時應用。

隨著高級駕駛輔助系統（ADAS）等更多安全功能被添加到新的車型中，這一“短板”對汽車行業來說成為了關鍵問題，汽車行業也在尋找向新型區域架構過渡的方法。區域體系結構中的連接基于物理位置，而不是基于域的體系結構中所支持的功能。這樣做的好處是能夠減少ECU的數量，從而減小線束的尺寸。此外，它還消除了硬件和軟件之間的相互依賴，從而實現面向服務的體系結構（SOA）。

10BASE-T1S就是為了滿足汽車（和工業）領域對可靠和確定性高速數據通信的要求而開發的。它作為時間敏感網絡（TSN）系列標準IEEE 802.3cg的一部分。10BASE-T1S與其他汽車以太網技術不同，因為它支持多點拓撲，其中所有節點都使用相同的非屏蔽雙絞線電纜連接。

由于總線的部署只需要在每個節點上有一個以太網接口（PHY），而無需像其他形式的汽車以太網那樣采用交換機或星形拓撲，因此成本更低。該標準規定至少支持八個節點，且可以支持長達25米的總線長度。

10BASE-T1S的另一個新功能是PLCA（物理層防沖突），可防止共享網絡介質上的沖突。該功能可確保確定性的延遲，這具體取決于網絡節點的數量和傳輸的數據量。每個節點都可以進行數據發送。如果沒有要發送的數據，它會將傳送機會傳遞給下一個節點，從而更有效地利用可用帶寬。

10BASE-T1S網絡是交流耦合的，這意味著其也支持供電。這樣就可以進一步簡化布線并減小連接器尺寸，提高整體網絡可靠性。PoDL（數據線供電）功能已經可用于點對點應用，IEEE目前正在努力將此功能擴展至多點拓撲并實現標準化。表1顯示了10BASE-T1S的物理層特性。

表1：10BASE-T1S的物理層特性

（資料來源：TDK）

10BASE-T1S

網絡保護的挑戰與對策

雖然以太網提供了出色的鏈路魯棒性，但在汽車等電氣噪聲復雜的環境中部署以太網，會面臨著前所未有的挑戰。用于驅動電動汽車（EV）的電機是輻射或傳導 EMI 噪聲的來源。EMI和電氣瞬變形成的噪聲源，會對高速數據傳輸產生干擾。雖然雙絞線SPE電纜能夠減少共模噪聲的影響，但還是不可避免地會產生一些感應噪聲。

傳導噪聲和輻射噪聲有不同的類型：

共模噪聲

共模噪聲表現為疊加在差分輸入和輸出端子以及正負電源電壓軌上的信號。為了降低共模噪聲，同時保持所需差分信號的不間斷傳輸，開發者經常會采用共模扼流圈（CMC）——它是由圍繞鐵氧體磁芯的兩個繞組組成的磁性元件。

差模噪聲性

差模噪聲信號以相反方向流動，可以使用由電感、電容或差模扼流圈組成的濾波器進行抑制。

靜電放電（ESD）

靜電放電（ESD）會導致瞬態電壓尖峰（較大的dV/dt），從而在電纜上引發具有破壞性的高電壓，損壞半導體和其他元器件。壓敏電阻或瞬態電壓抑制器（TVS）有助于防止ESD的潛在有害影響。

圖2說明了如何利用CMC和壓敏電阻的組合來保護網聯汽車中包含多個ECU的典型多點10BASE-T1S網絡。

圖2：在多點架構中保護10BASE-T1S網絡節點（圖源：TDK）

實現SPE保護

由于10BASE-T1S采用多點連接，許多ECU連接在一條總線上，因此由于線束的長度不可避免地會發生信號反射。而且，多個ECU引入的額外電容會導致數據信號振鈴。此外，由于差分通信線路中使用的電子元件的性質，傳導模式有時可以從差模轉換為共模，反之亦然，這稱為模式轉換。

模式轉換導致差分信號轉換為噪聲或噪聲轉換為差分信號，從而導致ECU的抗噪性變差，由此可能導致其發生故障或產生更多噪聲。

這些問題是由于差分通信線路中的不對稱（電感和電容的差異）引起的。對于汽車以太網，模式轉換特性（Sdc11、Ssd21、Ssd12）、回波損耗（Sdd11）和插入損耗（Sdd21）通常用于元件選擇和ECU設計。IEEE802.3cg中（Sdd11，Sdc11）已經為這些S（散射）參數建立了標準線。因此，單個和組合組件的S參數是設計ECU時必不可少的指標。

TDK的ACT1210E系列共模扼流圈/濾波器是用于汽車以太網10BASE-T1S的產品。這些器件采用TDK專有的繞線結構和材料，可實現出色的S參數值（圖3）。

圖3：ACT1210E系列CMC/濾波器的Sdd11和Sdc11性能（圖源：TDK）

由于繞組線和金屬化端子之間采用激光焊接，使得這些產品在-40°C至+125°C的工作溫度范圍內具有很高的抗熱沖擊特性及出色的可靠性。表2總結了TDK推薦的用于汽車網絡的ACT系列CMC的主要特性。這些CMC符合10BASE-T1S EMC測試規范，其出色的匝間雜散電容和模式轉換特性使其成為10BASE-T1S安裝的理想選擇。

*符合OPEN聯盟10BASE-T1S EMC測試規范

表2：可降低汽車網絡中共模和差模噪聲的CMC（資料來源：TDK）

ACT1210E

以太網10BASE-T1S共模濾波器

TDK ACT1210E共模濾波器設計用于汽車以太網10BASE-T1S的保護，其采用3.2mm x 2.5mm x 2.5mm封裝，符合AEC-Q200 Rev. D標準。由于使用了TDK專有的繞線結構和高品質材料，可實現高散射參數（S參數）和高至10pF的線對線電容。ACT1210E的工作溫度范圍為-40℃至+125℃，通過將繞組線激光焊接到金屬化端子，可實現高耐熱性和出色的可靠性。

圖4：ACT1210E共模濾波器結構

（圖源：TDK）

同樣，設計中對于ESD抑制元件也有嚴格的要求，包括與標準ESD元件相比更低的電容和更窄的容差要求。

TDK AVRH10C101KT1R2YE8和AVRH10C221KT1R5YA8貼片壓敏電阻是AVR-H 壓敏電阻系列的成員，具有高ESD保護性能，電容僅能達到1.5pF（典型值），容差僅有±0.13pF（表3）。此外，AVR-H壓敏電阻具有增強的魯棒性，工作溫度高達150℃，且性能不會降低。這些壓敏電阻為ECU網絡設計提供了高ESD抗擾度，同時對通信質量和模式轉換特性的影響極小。它們還符合AEC-Q200汽車可靠性標準，這使其很適合作為10BASE-T1S汽車以太網應用中的ESD保護組件。

表3：推薦使用壓敏電阻/TVS保護10BASE-T1S網絡免受ESD影響（資料來源：TDK）

AVR-H

壓敏電阻系列

TDK的AVR-H壓敏電阻符合AEC-Q200標準，這些器件采用IEC 1005 (EIA 0402) 封裝，尺寸緊湊，僅為1.0mm x 0.5mm x 0.5mm，在與現有元件性能相當的情況下，其尺寸減小了75%。這些小尺寸、高可靠性片式壓敏電阻的工作電壓可達19V至70V，電容范圍為4.7pF至50pF。AVR-H壓敏電阻具有-55℃至150℃的寬工作溫度范圍，可承受25kV接觸放電，符合IEC 61000-4-2標準要求，是10BASE-T1S汽車以太網，以及LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay等傳統車載網絡保護的理想選擇。

圖5：AVR-H壓敏電阻在SPE保護中的應用

（圖源：TDK）

打造可靠而穩健的車載網絡

總之，在支持下一代車輛區域架構部署方面，多點10BASE-T1S技術將發揮核心作用。當然，在不影響帶寬和延遲等因素的前提下，確保網絡可靠性和穩健性仍然是工程師設計時的首要考慮因素。高質量的噪聲濾波和ESD保護解決方案，是實現這一目標的必要條件。

TDK提供符合汽車標準的CMC和壓敏電阻/TVS，以保護10BASE-T1S網絡，以及其他形式的汽車以太網（例如100BASE-T1）和其他傳統汽車網絡。