车载以太网——面向汽车设计的EMI挑战

车载以太网的中心议题：
    * 车载以太网介绍
    * 面向汽车设计的EMI挑战
车载以太网的解决方案：
    * 耐热和 EMC 性能
    * 电磁辐射

如今，以太网已能够正式进入诸如CAN、LIN、FlexRay和MOST这样的汽车网络行 列。但是，既然已经有如此多的网络存在，我们为什么还需要以太网？以太网具体可用于哪些汽车应用？ 事实上答案很简单，并且可一语道出以太网如今在办公网络领域一统天下的原因。简易性和经过现场验证的开放标准，大大降低了以太网在每一种应用情况下的拥有 成本，这也是以太网最近深受工厂和家庭技术用户青睐的部分原因。在众多以太网供应商的支持下，庞大的办公市场和急剧膨胀的消费市场使以太网的定价水平能够 远低于任何“定制”协议的定价。

汽车以太网的最初应用通常包括车载诊断系统(OBD)，它大大缩短了软件的下载时间。似乎有一种 普遍的共识：OBD将转向基于IP的接口(即以太网的物理层)，而非速度较慢的传统CAN。展望未来，“实时”以太网AVB(音频视频桥接)将能够提供高 性能的资讯娱乐网络解决方案，但是其所面临的挑战，不仅仅是单纯的技术问题。即使当汽车停在服务站(即并未行驶)时，OBD 应用同样可以正常运行。当汽车行驶时，汽车制造商需要更加严格的EMI要求。以太网从未针对此类应用进行专门设计。那么，这项技术是否能够应对挑战？

耐热和 EMC 性能

工业控制市场已经证明，以太网网络能够在极端条件下实现强劲的性能。大部分此类应用通常会面对较大的温度变化范围、剧烈震动、高EMC辐射以及灰尘或潮湿环 境。以太网设备采用低功耗和封装设计，固此在将发动机环境温度升高到+85°C(正常温度)以上时，不会出现散热问题。例如，麦瑞半导体的 KSZ8041NL AM单端口快速以太网PHY解决方案(符合AECQ-100 标准)，在耐热增强的5mm x5mm MLF? 封装内，仅消耗175mW。KSZ8041NL 系列还提供军用规格变体，支持高达125°C的环境温度。

由于工业和汽车市 场的需求，许多新一代以太网设备都具备显著改善的ESD(静电放电)性能。这是一个重大的观念转变，以前的办公应用并不十分重视 ESD 额定值。例如，麦瑞半导体KSZ8041 PHY和KSZ8851控制器系列的HBM(人体模型)ESD 额定值都大于 6KV。评估板也显示能够提供大于9kV的接触ESD和大于16.5kV的空气ESD 额定值，而不需要任何外部过电压保护设备。这超越了一般汽车厂商的电磁兼容性(EMC)要求，例如由宝马集团标准GS 95002的要求。

电磁辐射

目前行业对电磁干扰(EMI)性能的严格要求，是所有汽车电气设备都要面临的其中一项最严峻挑战。随着数据速度的增长，信号传输速度也越来越快，这会导致更高的能量排放。行业面临的第一个挑战是要设定以太网技术的排放限值和所需带宽。

就视频和相机成像传输来说，有关100Mbps快速以太网是否真正够用，或是否需要推进千兆以太网数据传输速度，仍然存有争议。这种选择很可能取决于相机应用程序是否支持视频压缩。

图1显示以太网电路板的典型辐射特性，使用的是麦瑞半导体的KSZ9021千兆PHY。毫不奇怪，峰辐射位于参考时钟的125Mbps谐波位置，超过了典型的OEM限值(此处以FlexRay为例)。

为保持一致性，如今在汽车运行时，以太网可以使用双绞线、同轴电缆或塑料光纤(POF)作为屏蔽电缆。标准以太网RJ45连接器和CAT5电缆具备非常强劲的性能，广泛应用在多个领域中(包含工业领域)。

但是，汽车应用中可能仍会采用(至少在最初阶段)现有的供应商特定连接器和接线器。以后将逐渐倾向于采用如ISO 13400中规定的标准化IP诊断接口。以太网PHY(收发器)可灵活使用此类连接器和线缆，而不会使性能显著降低。下表1列出了CAT5电缆的典型特性。

标 准CAN电缆具有与非屏蔽双绞线CAT5电缆相似的特性。测试已证明了通过100m以上CAN电缆实现以太网长期无差错传输的可行性。这两种电缆之间的主 要区别是，CAN电缆仅部分指定，并且不提供受控的阻抗或绞纽率。这样就无法保证EMC性能和信号完整性，所以CAN电缆一般不适用于高速数据传输。CAN电缆目前用于以太网车载诊断系统(OBD)和闪存更新。这些线缆在正常行驶中可能会被禁用，只有在维修店或生产工厂中才能被激活。

用 于高速数据传输(例如汽车应用中的LVDS、USB和以太网)的电缆示例包括“Leoni 电缆”。“Leoni 电缆”使用受控的100ohm阻抗进行屏蔽，可胜任高达1Gbps的数据传输，性能指标类似于CAT6，而非 CAT5。它实际并非双绞线，而是一种名为Stern-Vierer(译作星绞四线)的四绞线。

第一款具有受控阻抗的汽车 非屏蔽电缆是Kroschu 的FlexRay电缆，它能够实现优于CAN的EMC性能和信号完整性。虽然存在双绞线对和Stern-Vierer等电缆类型，标准的FlexRay电 缆是指单独一个双绞线。CAT5提供四线双绞线，其中的所有双绞线都将用于千兆网络，而100Mbps快速以太网则只需使用其中两对。

为了提高可靠性，麦瑞半导体LinkMD等电缆诊断技术，提供了超越以太网定义标准的解决方案，以解决此类问题。LinkMD电缆诊断技术利用时域反射计(TDR)分析双绞线电缆的常见问题，例如开路、短路和阻抗不匹配。

塑 料光纤(POF)是传统CAT5铜线电缆的一种替代选择。这种物理介质部署在MOST网络中，早已为汽车制造商所熟知。来自MOST(包括新的MOST- 150)的相同1mm LED POF技术也可用于100米范围的 100Mbps快速以太网传输。POF性能强大、质量轻巧，并且像其他光纤一样，完全不会产生电磁噪音(因没有散发辐射)。

然而，使用屏蔽电缆或POF的缺点在于成本高昂。目前，研究工作仍在继续开展；我们期待着开发出使用非屏蔽电缆实现辐射水平要求(至少满足快速以太网)的方法。有些提议的方法需要使用其他调制技术，这样会产生专有的不一致“以太网”。这并不符合以太网的独特魅力和成功精髓：通过现场验证、可互操作的开放标准，以及低廉的成本。此类方法不仅要实现开放性和自由访问的要求，还涉及数量众多的芯片供应商。这些方法能否顺利成功，还有待观察。

理想的解决方案需要能够增强标准以太网PHY设备的性能以减少EMI辐射。这些改进结合其他电路板和设备技术，为成功提供了现实机会，特别是快速以太网的成功。