作者@@：Mark Patrick，来源@@：贸泽电子@@@@
随着现代汽车的@@网@@联化日益普及@@，对电子@@系统的@@依赖程度越来越高@@，汽车以太网@@@@@@在@@车企平台上的@@采用@@率也在@@稳步上升@@。如今@@，以太网@@@@已成为车载信息互联中@@至@@关重要的@@网@@络@@协议之一@@，支持诊断@@、信息娱乐@@、导航和@@通信等广泛的@@功能@@。
事实上@@，由于@@具有高@@数据传输速率@@、可扩展性和@@低延迟等技术@@特性@@，汽车以太网@@@@@@很有可能在@@下一代汽车中@@站稳脚跟@@。不过@@，技术@@永远不会停滞不前@@，工程师们一直在@@寻找新的@@方案@@，推动以太网@@@@的@@发展@@，以确保其能够适应未来所需@@。
在@@本文中@@@@，我们将介绍汽车以太网@@@@@@的@@兴起和@@演变@@，并分析其新近发展出的@@变体之一@@——10BASE-T1S——在@@新兴汽车区域架构中@@的@@功能和@@优势@@。接下来@@，本文将讨论典型的@@@@10BASE-T1S汽车网@@络@@的@@布局@@，以及@@如何使用@@TDK的@@共模扼流圈和@@压敏电阻@@为其提供所需的@@稳健而可靠的@@保护@@@@@@。
以太网@@@@在@@汽车中@@的@@应用@@
随着汽车中@@电子@@控制单元@@（ECU）数量的@@增长和@@速度的@@提升@@，汽车行业意识到@@，以前为其提供支持的@@传统车载网@@络@@@@（例如@@CAN）所提供的@@带宽@@，已经无法满足新的@@需求@@。在@@2000年@@代中@@期@@，汽车制造商开始探索将可信以太网@@@@协议作为数据连接选项@@。
2016年@@，IEEE在@@其@@IEE802.3bw文档中@@发布了第一个汽车以太网@@@@@@标准@@@@100BASE-T1。与@@IEEE合作的@@是@@@@OPEN联盟@@（One-Pair EtherNet Alliance），这是@@一个非营利性的@@开放行业联盟@@@@，主要由汽车行业厂商和@@技术@@提供商组成@@，旨在@@通过联盟@@成员的@@合作@@，推动在@@汽车网@@络@@应用中@@大规模采用@@基于以太网@@@@的@@网@@络@@@@，并制定新的@@标准@@和@@测试规范@@@@。
虽然传统以太网@@@@@@（10/100 BASE-T）与@@其面向汽车行业的@@@@“亲缘@@”标准@@版本之间存在@@相似之处@@，但也有一些明显的@@差异@@。两种版本都使用@@UTP电缆@@，即将两根铜线绞合在@@一起@@，以减少电磁辐射@@，避免与@@其他电缆@@和@@组件之间的@@串扰@@，同时也可以减轻来自其他干扰源的@@影响@@@@。
但是@@@@，传统以太网@@@@使用两对电缆@@@@：一对在@@一个方向上传输发射信号@@，而另一对则在@@相反方向上传输接收信号@@。相较而言@@，汽车以太网@@@@@@仅使用一对电缆@@@@（称为单对以太网@@@@或@@@@SPE）进行发送和@@接收@@，这意味着更少的@@电缆@@使用@@、成本更低@@。而且@@单对也意味着@@“平衡@@”，因为其在@@每根导线上传输幅度相等但极性相反的@@信号@@。传统以太网@@@@的@@电缆@@长度可达@@100米@@，而汽车以太网@@@@@@的@@长度仅能达到@@15米@@，该距离更契合车辆的@@大小和@@规模的@@要求@@。
这两个版本以太网@@@@标准@@的@@另一个关键的@@区别在@@于@@，适用于计算的@@@@RJ45连接器对于汽车应用来说太大了@@，因此@@需要更换@@。但是@@@@，人们就标准@@连接器类型尚未达成一致@@。传统标准@@使用多级传输@@（MLT-3）编码@@，该编码@@通过三个电压电平周期将比特数据编码@@到电缆@@上@@。
相比之下@@，汽车以太网@@@@@@采用@@的@@脉冲幅度调制@@（PAM）是@@对具有不同幅度的@@电压的@@比特数据进行编码@@@@，因此@@可以在@@每次通信中@@发送更多位的@@数据@@。将此方案与@@其他编码@@技术@@相结合可降低传输频率@@，有助于减少电磁干扰@@（EMI）和@@串扰@@。100Mb/s IEEE802.3bw版本的@@以太网@@@@标准@@已广泛应用于交换式点对点汽车应用@@，如图@@@@1所示@@。
图@@1：汽车以太网@@@@@@通常以交换网@@络@@的@@形式实现@@@@（图@@源@@：TDK）
10BASE-T1S的@@诞生@@
以太网@@@@开始时是@@为多点@@网@@络@@设计@@的@@@@，采用@@CSMA/CD（带有冲突检测的@@载波侦听多路存取@@）协议传输数据@@。虽然这种@@“尽力而为@@”的@@数据传输技术@@满足了通用计算的@@网@@络@@要求@@，但其由数据包冲突引起的@@@@非确定性@@——即无法保证在@@指定的@@时间间隔内传输数据@@——意味着多点@@以太网@@@@网@@络@@不适用于安全敏感型的@@实时应用@@。
随着高级驾驶辅助系统@@（ADAS）等更多安全功能被添加到新的@@车型中@@@@，这一@@“短板@@”对汽车行业来说成为了关键问题@@，汽车行业也在@@寻找向新型区域架构过渡的@@方法@@。区域体系结构中@@的@@连接基于物理位置@@，而不是@@基于域的@@体系结构中@@所支持的@@功能@@。这样做的@@好处是@@能够减少@@ECU的@@数量@@，从而减小线束的@@尺寸@@。此外@@，它还消除了硬件和@@软件之间的@@相互依赖@@，从而实现@@面向服务的@@体系结构@@（SOA）。
10BASE-T1S就是@@为了满足汽车@@（和@@工业@@）领域对可靠和@@确定性高速数据通信的@@要求而开发的@@@@。它作为时间敏感网@@络@@@@（TSN）系列@@标准@@@@IEEE 802.3cg的@@一部分@@。10BASE-T1S与@@其他汽车以太网@@@@@@技术@@不同@@，因为它支持多点@@拓扑@@，其中@@所有节点都使用相同的@@非屏蔽双绞线电缆@@连接@@。
由于@@总线的@@部署只需要在@@每个节点上有一个以太网@@@@接口@@（PHY），而无需像其他形式的@@汽车以太网@@@@@@那样采用@@交换机或@@星形拓扑@@，因此@@成本更低@@@@。该标准@@规定至@@少支持八个节点@@，且可以支持长达@@25米@@的@@总线长度@@。
10BASE-T1S的@@另一个新功能是@@@@PLCA（物理层防冲突@@），可防止共享网@@络@@介质上的@@冲突@@。该功能可确保确定性的@@延迟@@，这具体取决于网@@络@@节点@@的@@数量@@和@@传输的@@数据量@@。每个节点都可以进行数据发送@@。如果没有要发送的@@数据@@，它会将传送机会传递给下一个节点@@，从而更有效地利用可用带宽@@。
10BASE-T1S网@@络@@是@@交流耦合的@@@@，这意味着其也支持供电@@。这样就可以进一步简化布线并减小连接器尺寸@@，提高@@整体网@@络@@可靠性@@。PoDL（数据线供电@@）功能已经可用于点对点应用@@，IEEE目前正在@@努力将此功能扩展至@@多点@@拓扑并实现@@标准@@化@@。表@@1显示了@@10BASE-T1S的@@物理层特性@@。
表@@1：10BASE-T1S的@@物理层特性@@（资料来源@@@@：TDK）
10BASE-T1S网@@络@@保护@@的@@挑战与@@对策@@
虽然以太网@@@@提供了出色的@@链路鲁棒性@@，但在@@汽车等电气噪声复杂的@@环境中@@部署以太网@@@@@@，会面临着前所未有的@@挑战@@。用于驱动电动汽车@@（EV）的@@电机是@@辐射或@@传导@@ EMI 噪声的@@来源@@@@。EMI和@@电气瞬变形成的@@噪声源@@，会对高速数据传输产生干扰@@。虽然双绞线@@SPE电缆@@能够减少共模噪声@@的@@影响@@@@，但还是@@不可避免地会产生一些感应噪声@@。
传导噪声和@@辐射噪声有不同的@@类型@@：
共模噪声@@
共模噪声@@表@@现为叠加在@@差分输入和@@输出端子以及@@正负电源电压轨上的@@信号@@。为了降低共模噪声@@@@，同时保持所需差分信号的@@不间断传输@@，开发者经常会采用@@共模扼流圈@@（CMC）——它是@@由围绕铁氧体磁芯的@@两个绕组组成的@@磁性@@188足彩外围@@app 。
差模噪声性@@
差模噪声信号以相反方向流动@@，可以使用由电感@@、电容或@@差模扼流圈组成的@@滤波器进行抑制@@@@。
静电放电@@（ESD）
静电放电@@（ESD）会导致瞬态电压尖峰@@（较大的@@@@dV/dt），从而在@@电缆@@上引发具有破坏性的@@高电压@@，损坏半导体和@@其他元器件@@。压敏电阻或@@瞬态电压抑制@@器@@（TVS）有助于防止@@ESD的@@潜在@@有害影响@@@@。
图@@2说明了如何利用@@CMC和@@压敏电阻@@的@@组合来保护@@网@@联汽车中@@包含多个@@@@ECU的@@典型多点@@@@10BASE-T1S网@@络@@。
图@@2：在@@多点@@架构中@@保护@@@@10BASE-T1S网@@络@@节点@@（图@@源@@：TDK）
实现@@SPE保护@@
由于@@10BASE-T1S采用@@多点@@连接@@，许多@@ECU连接在@@一条总线上@@，因此@@由于@@线束的@@长度不可避免地会发生信号反射@@。而且@@，多个@@ECU引入的@@额外电容会导致数据信号振铃@@。此外@@，由于@@差分通信线路中@@使用的@@电子@@@@188足彩外围@@app 的@@性质@@，传导模式有时可以从差模转换为共模@@，反之亦然@@，这称为模式转换@@。
模式转换导致差分信号转换为噪声或@@噪声转换为差分信号@@，从而导致@@ECU的@@抗噪性变差@@，由此可能导致其发生故障或@@产生更多噪声@@。
这些@@问题是@@由于@@差分通信线路中@@的@@不对称@@（电感和@@电容的@@差异@@）引起的@@@@。对于汽车以太网@@@@@@@@，模式转换特性@@（Sdc11、Ssd21、Ssd12）、回波损耗@@（Sdd11）和@@插入损耗@@（Sdd21）通常用于@@188足彩外围@@app 选择和@@@@ECU设计@@。IEEE802.3cg中@@（Sdd11，Sdc11）已经为这些@@@@S（散射@@）参数@@建立了标准@@线@@。因此@@，单个和@@组合组件的@@@@S参数@@是@@设计@@@@ECU时必不可少的@@指标@@。
TDK的@@ACT1210E系列@@共模扼流圈@@/滤波器是@@用于汽车以太网@@@@@@@@10BASE-T1S的@@产品@@。这些@@器件采用@@@@TDK专有的@@绕线结构和@@材料@@，可实现@@出色的@@@@S参数@@值@@（图@@3）。
图@@3：ACT1210E系列@@CMC/滤波器的@@@@Sdd11和@@Sdc11性能@@（图@@源@@：TDK）
由于@@绕组线和@@金属化端子之间采用@@激光焊接@@，使得这些@@产品在@@@@-40°C至@@+125°C的@@工作温度范围内具有很高的@@抗热冲击特性及出色的@@可靠性@@。表@@2总结了@@TDK推荐的@@用于汽车网@@络@@的@@@@ACT系列@@CMC的@@主要特性@@。这些@@CMC符合@@10BASE-T1S EMC测试规范@@，其出色的@@匝间杂散电容和@@模式转换特性@@使其成为@@10BASE-T1S安装的@@理想选择@@。
表@@2：可降低汽车网@@络@@中@@共模和@@差模噪声的@@@@CMC（资料来源@@@@：TDK）
ACT1210E
以太网@@@@10BASE-T1S共模滤波器@@
TDK ACT1210E共模滤波器@@设计@@用于汽车以太网@@@@@@@@10BASE-T1S的@@保护@@@@，其采用@@@@3.2mm x 2.5mm x 2.5mm封装@@，符合@@AEC-Q200 Rev. D标准@@。由于@@使用了@@TDK专有的@@绕线结构和@@高品质材料@@，可实现@@高散射@@参数@@@@（S参数@@）和@@高至@@@@10pF的@@线对线电容@@。ACT1210E的@@工作温度范围为@@-40℃至@@+125℃，通过将绕组线激光焊接到金属化端子@@，可实现@@高耐热性和@@出色的@@可靠性@@。
图@@4：ACT1210E共模滤波器@@结构@@（图@@源@@：TDK）
同样@@，设计@@中@@对于@@ESD抑制@@188足彩外围@@app 也有严格的@@要求@@，包括与@@标准@@@@ESD188足彩外围@@app 相比更低的@@电容和@@更窄的@@容差要求@@。
TDK AVRH10C101KT1R2YE8和@@AVRH10C221KT1R5YA8贴片压敏电阻是@@@@AVR-H 压敏电阻系列@@@@的@@成员@@，具有高@@ESD保护@@性能@@@@，电容仅能达到@@1.5pF（典型值@@），容差仅有@@±0.13pF（表@@3）。此外@@，AVR-H压敏电阻具有@@增强的@@鲁棒性@@，工作温度高达@@150℃，且性能@@不会降低@@。这些@@压敏电阻为@@ECU网@@络@@设计@@提供了高@@ESD抗扰度@@，同时对通信质量和@@模式转换特性@@的@@影响@@极小@@。它们还符合@@@@AEC-Q200汽车可靠性标准@@@@，这使其很适合作为@@10BASE-T1S汽车以太网@@@@@@应用中@@的@@@@ESD保护@@组件@@。
表@@3：推荐使用压敏电阻@@/TVS保护@@10BASE-T1S网@@络@@免受@@ESD影响@@（资料来源@@@@：TDK）
AVR-H
压敏电阻系列@@@@
TDK的@@AVR-H压敏电阻符合@@@@AEC-Q200标准@@，这些@@器件采用@@@@IEC 1005 (EIA 0402) 封装@@，尺寸紧凑@@，仅为@@1.0mm x 0.5mm x 0.5mm，在@@与@@现有@@188足彩外围@@app
性能@@相当的@@情况下@@，其尺寸减小了@@75%。这些@@小尺寸@@、高可靠性片式压敏电阻的@@工作电压可达@@19V至@@70V，电容范围为@@4.7pF至@@50pF。AVR-H压敏电阻具有@@-55℃至@@150℃的@@宽工作温度范围@@，可承受@@25kV接触放电@@，符合@@IEC 61000-4-2标准@@要求@@，是@@10BASE-T1S汽车以太网@@@@@@，以及@@LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay等传统车载网@@络@@保护@@的@@理想选择@@。
图@@5：AVR-H压敏电阻在@@@@SPE保护@@中@@的@@应用@@（图@@源@@：TDK）
打造可靠而稳健的@@车载网@@络@@@@
总之@@，在@@支持下一代车辆区域架构部署方面@@，多点@@10BASE-T1S技术@@将发挥核心作用@@。当然@@，在@@不影响@@带宽和@@延迟等因素的@@前提下@@，确保网@@络@@可靠性和@@稳健性仍然是@@工程师设计@@时的@@首要考虑因素@@。高质量的@@噪声滤波和@@@@ESD保护@@解决方案@@，是@@实现@@这一@@目标的@@必要条件@@。
TDK提供符合@@汽车标准@@的@@@@CMC和@@压敏电阻@@/TVS，以保护@@@@10BASE-T1S网@@络@@，以及@@其他形式的@@汽车以太网@@@@@@@@（例如@@100BASE-T1）和@@其他传统汽车网@@络@@@@。如需了解相关产品和@@解决方案的@@更多技术@@信息@@，请访问贸泽电子@@@@官网@@中@@的@@专题页@@。