Automotive Automotive Ethernet EMI -Designherausforderungen

Heute hat Ethernet offiziell in die Reihen der Automobilnetzwerke wie Can, Lin, Flexray und die meisten eingegeben. Da es jedoch bereits so viele Netzwerke gibt, warum brauchen wir dann noch Ethernet? Für welche Automobilanwendungen können Ethernet verwendet werden? Tatsächlich ist die Antwort sehr einfach, und es kann gesagt werden, dass der Grund, warum Ethernet jetzt im Bereich des Büro -Netzwerks dominiert wird. Einfachheit und offene Standards für Feldproben haben die Eigentumskosten für Ethernet in jeder Anwendungssituation erheblich gesenkt. Dies ist Teil des Grundes, warum Ethernet kürzlich von Fabrik- und Home-Technology-Nutzern bevorzugt wurde. Mit der Unterstützung vieler Ethernet -Anbieter haben der riesige Büromarkt und der schnell wachsende Verbrauchermarkt es ermöglicht, dass das Preisniveau von Ethernet viel niedriger ist als die einer "benutzerdefinierten" Vereinbarung.

Die anfängliche Anwendung von Automotive Ethernet umfasst normalerweise ein On-Board-Diagnosesystem (OBD), das die Software-Download-Zeit erheblich verkürzt. Es scheint einen allgemeinen Konsens zu geben: OBD verlagert sich an eine IP-basierte Schnittstelle (dh die physische Schicht von Ethernet) anstelle der langsameren herkömmlichen Dose. Mit Blick auf die Zukunft kann "Echtzeit" -Th-AVB (Audio Video Bridging) leistungsstarke Lösungen für Infotainment-Netzwerke bereitstellen. Die Herausforderungen, denen es gegenübersteht, sind jedoch nicht nur technische Probleme. Selbst wenn das Auto an einer Tankstelle geparkt ist (dh es nicht fährt), kann die OBD -Anwendung immer noch normal funktionieren. Wenn ein Auto fährt, benötigen Autohersteller strengere EMI -Anforderungen. Ethernet wurde noch nie speziell für solche Anwendungen entwickelt. Kann diese Technologie die Herausforderung stellen?

Wärmefestigkeit und EMC -Leistung

Der Markt für industrielle Kontrolle hat gezeigt, dass Ethernet -Netzwerke unter extremen Bedingungen eine starke Leistung erzielen können. Die meisten dieser Anwendungen stehen normalerweise einem großen Temperaturbereich, schwerer Vibration, hohen EMK -Strahlung und staubigen oder feuchten Umgebungen aus. Das Ethernet -Gerät verwendet einen geringen Stromverbrauch und ein Verpackungsdesign. Wenn die Motorumgebungstemperatur über + 85 ° C (normale Temperatur) erhöht wird, gibt es keine Probleme mit der Wärmeableitung. Zum Beispiel konsumiert Mindray Semiconductors KSZ8041NL AM-Lösung für Fast-Ethernet-Phy-Lösung (konform mit AECQ-100-Standard) nur 175 MW in einem thermisch verbesserten 5 mm x5 mm MLF? Paket. Die KSZ8041NL -Serie bietet auch militärische Spezifikationsvarianten, die Umgebungstemperaturen bis zu 125 ° C unterstützen.

Aufgrund der Bedürfnisse der Industrie- und Automärkte haben viele Ethernet -Geräte der neuen Generation die ESD -Leistung (Electrostatic Delad) erheblich verbessert. Dies ist eine wesentliche Änderung des Konzepts, und frühere Büroanträge haben ESD -Bewertungen nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt. Zum Beispiel haben Mindray Semiconductor's KSZ8041 PHY- und KSZ8851 -Controller -Serien HBM -ESD -Bewertungen von mehr als 6 kV. Die Bewertungskarte zeigt auch, dass sie ohne externe Überspannungsschutzgeräte von mehr als 16,5 kV Kontakt über 9 kV und Luft -ESD -Bewertungen mehr als 16,5 kV bereitstellen kann. Dies übertrifft die EMC -Anforderungen (Elektromagnetische Kompatibilität) allgemeiner Automobilhersteller, wie z. B. die Anforderungen des BMW -Gruppenstandards GS 95002.

Elektromagnetische Strahlung

Derzeit ist die strenge Anforderungen der Branche an der Leistung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) eine der schwerwiegendsten Herausforderungen, denen alle elektrischen Geräte für Automobile stehen müssen. Mit zunehmender Datengeschwindigkeit wird die Signalübertragungsgeschwindigkeit immer schneller, was zu höheren Energieemissionen führt. Die erste Herausforderung für die Branche besteht darin, die Emissionsgrenzen und die erforderliche Bandbreite der Ethernet -Technologie festzulegen.

In Bezug auf die Video- und Kamera -Bildgebungsübertragung gibt es immer noch Kontroversen darüber, ob das schnelle Ethernet von 100 Mbit / s wirklich ausreicht oder ob die Datenübertragungsgeschwindigkeit von Gigabit Ethernet fortgeschritten sein muss. Diese Auswahl hängt wahrscheinlich davon ab, ob die Kameraanwendung die Videokomprimierung unterstützt.

Abbildung 1 zeigt die typischen Strahlungseigenschaften einer Ethernet -Leiterplatte unter Verwendung des KSZ9021 Gigabit Phy of Mindray Semiconductor. Es überrascht nicht, dass die Spitzenstrahlung an der harmonischen Position der 125 Mbit / s der Referenzuhr liegt, die die typische OEM -Grenze (in diesem Fall Flexray) überschreitet.

Um die Konsistenz aufrechtzuerhalten, kann Ethernet jetzt verdrehtes Paar, Koaxialkabel oder Kunststofffaser (POF) als abgeschirmtes Kabel verwenden, während das Auto fährt. Das Standard -Ethernet -RJ45 -Stecker und das CAT5 -Kabel haben eine sehr starke Leistung und werden in vielen Bereichen (einschließlich Industriefeldern) häufig verwendet.

Bestehende Lieferanten-spezifische Anschlüsse und Anschlüsse können jedoch (zumindest anfangs) in Automobilanwendungen weiterhin verwendet werden. In Zukunft werden wir die in ISO 13400 angegebene standardisierte IP -Diagnoseschnittstelle nach und nach anwenden. Der Ethernet -Phy (Transceiver) kann solche Anschlüsse und Kabel flexibel verwenden, ohne die Leistung erheblich zu beeinträchtigen. In Tabelle 1 unten sind die typischen Eigenschaften von CAT5 -Kabeln aufgeführt.

Standard -Dose -Kabel haben ähnliche Eigenschaften wie ungeschützte Twisted -Paar -Cat5 -Kabel. Tests haben die Durchführbarkeit einer langfristigen fehlerfreien Übertragung von Ethernet über CAN-Kabel über 100 m erwiesen. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Kabeln besteht darin, dass das Dose -Kabel nur teilweise angegeben ist und keine kontrollierte Impedanz oder Verdrehungsrate liefert. Auf diese Weise kann die EMC-Leistung und die Signalintegrität nicht garantiert werden, sodass Kabel im Allgemeinen nicht für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung geeignet sind. Dankabel werden derzeit für Ethernet-On-Board-Diagnosesysteme (OBD) und Flash-Speicher-Updates verwendet. Diese Kabel können während des normalen Fahrens deaktiviert werden und können nur in einer Reparaturwerkstatt oder in einer Produktionsanlage aktiviert werden.

Beispiele für Kabel, die für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung (z. B. LVDs, USB und Ethernet in Automobilanwendungen) verwendet werden, umfassen "Leoni-Kabel". Das "Leoni -Kabel" verwendet eine kontrollierte 100 OHM -Impedanz für die Abschirmung und kann Datenübertragung bis zu 1 Gbit / s in der Lage sein. Der Leistungsindex ähnelt Cat6, nicht CAT5. Es ist eigentlich kein verdrehtes Paar, sondern ein viersträngiger Draht namens Stern-Vierer (übersetzt als Vierdraht mit Sternbistern).

Das erste nicht abgeschirmte Kabel mit kontrollierter Impedanz ist das Flexray -Kabel von Kroschu, das eine bessere EMC -Leistung und Signalintegrität als können. Obwohl es Kabeltypen wie verdrehte Paare und Heck-Vierer gibt, bezieht sich das Standard-Flexray-Kabel auf ein einzelnes verdrehtes Paar. CAT5 bietet ein Vier-Draht-Twisted-Paar, das alle für Gigabit-Netzwerke verwendet werden, und 100 Mbit / s werden nur zwei davon verwendet.

Um die Zuverlässigkeit zu verbessern, liefern Mindray Semiconductor LinkMD und andere Kabeldiagnosetechnologien Lösungen, die Ethernet -definierte Standards überschreiten, um solche Probleme zu lösen. Die LinkMD -Kabel -Diagnose -Technologie verwendet Zeitdomänenreflektometrie (TDR), um häufige Probleme mit verdrehten Paarkabeln wie offenen Schaltungen, Kurzschaltungen und Impedanzfehlanpassungen zu analysieren.

Kunststofffaser (POF) ist eine Alternative zum herkömmlichen CAT5 -Kupferkabel. Dieses physische Medium wird im Netzwerk am meisten eingesetzt und ist den Autoherstellern seit langem bekannt. Die gleiche 1-mm-LED-POF-Technologie von den meisten (einschließlich der neuen meisten 150) kann auch für 100 Mbit / s schnelles Ethernet-Getriebe über einen Bereich von 100 Metern verwendet werden. POF hat eine starke Leistung, leichte Gewicht und erzeugt wie andere optische Fasern kein elektromagnetisches Rauschen (da es keine Strahlung gibt).

Der Nachteil der Verwendung abgeschirmter Kabel oder POF ist jedoch die hohen Kosten. Derzeit wird die Forschungsarbeiten fortgesetzt. Wir freuen uns darauf, Methoden zu entwickeln, die nicht geschützte Kabel verwenden, um die Anforderungen an die Strahlungsebene zu erfüllen (zumindest schneller Ethernet). Einige vorgeschlagene Methoden erfordern die Verwendung anderer Modulationstechniken, die proprietäre inkonsistente "Ethernet" erzeugen. Dies entspricht nicht dem einzigartigen Charme und Essenz des Erfolgs von Ethernet: Feldproben, interoperable offene Standards und niedrige Kosten. Solche Methoden müssen nicht nur die Anforderungen an Offenheit und freien Zugang erfüllen, sondern auch eine große Anzahl von Chip -Lieferanten umfassen. Es bleibt abzuwarten, ob diese Methoden erfolgreich sein werden.

Die ideale Lösung muss in der Lage sein, die Leistung von Standard -Ethernet -PHY -Geräten zu verbessern, um die EMI -Emissionen zu reduzieren. Diese Verbesserungen in Kombination mit anderen Leiterplatten- und Geräte -Technologien bieten eine realistische Chance für den Erfolg, insbesondere den Erfolg von Fast Ethernet.