用于汽车以太网车载系统中噪声抑制的共模扼流

对高速汽车网络的需求不断增加并达到更高的复杂程度，以支持驾驶员安全、减少环境负荷并提高乘客舒适度。然而，进一步提高标准的是采用高清摄像头进行停车辅助、鸟瞰视觉系统、雷达和激光雷达来增强 ADAS 系统。随着行业转向全自动驾驶汽车，连接性发挥着至关重要的作用。用于车载网络的传统总线，例如 LIN、CAN 和 CAN-FD，在速度和带宽方面已达到极限。

对高速汽车网络的需求不断增加并达到更高的复杂程度，以支持驾驶员安全、减少环境负荷并提高乘客舒适度。然而，进一步提高标准的是采用高清摄像头进行停车辅助、鸟瞰视觉系统、雷达和激光雷达来增强 ADAS 系统。随着行业转向全自动驾驶汽车，连接性发挥着至关重要的作用。用于车载网络的传统总线，例如 LIN、CAN 和 CAN-FD，在速度和带宽方面已达到极限。
同时，所有这些系统和子系统都需要复杂的布线网络。随着汽车制造商从内燃机 (ICE) 转向全电动汽车 (EV) 以满足环保目标，减少电缆尺寸和重量增加了挑战。毕竟，更轻的电动汽车会增加电池的续航里程。在这种情况下，以适当的成本使用更细、更轻的电缆来满足高带宽、低延迟、确定性、稳健和可靠的通信需求，促使汽车制造商权衡使用以太网的利弊。
以太网已经在办公室和家庭环境中广泛使用，而它的近亲工业以太网已经使物联网 (IoT) 成为现实。然而，其在汽车环境中以太网的使用仅限于非关键系统。基于两个差分对的传统 100BASE-TX 以太网电缆过于昂贵。另一方面，CAT 5 电缆不符合汽车 EMI 标准，因此无法用于诊断以外的车载网络。
为了满足重量、EMI 和成本要求，电气和电子工程师协会 (IEEE) 定义了 IEEE 802.3bw 标准，也称为 100BASE-T1。基于非屏蔽双绞线 (UTP) 电缆的汽车以太网标准正在成为车载网络的支柱，可提供 100Mbps 的速度并取代速度明显较慢的 CAN 和 CAN-FD 总线协议。在 1Gbps 下，速度更快的 1000BASE-T1 标准 IEEE 802.3bp 旨在解决当前和下一代架构中的带宽瓶颈。
自 2011 年成立以来，OPEN（一对以太网）联盟特别兴趣小组(SIG) 在汽车以太网的广泛采用中发挥了关键作用，建议使用 100BASE-T1 和 1000BASE-T1双绞线。它建立了开放式汽车以太网标准 (BroadR-Reach)，现在 OEM 和供应商将其作为其指定要求的一部分进行引用。而且，通过与 IEEE 和 ISO 等其他行业标准机构保持密切联系，汽车以太网的应用正在激增。
汽车以太网初用于诊断，可以优化和简化应用程序和网络，以提高数据传输速度。网络速度的提高意味着信号质量至关重要。车辆内的不同系统已从商品产品转变为安全产品。例如，在过去，倒车摄像头并不被视为自动驾驶车辆内的关键组件；然而，这一切都已经改变，你不能让这些系统出现故障。在这里，信号不会受到损害或丢失。
EMC 对策在汽车设计中发挥着不可或缺的作用。为了开发、准确和安全的解决方案，工程师必须限度地减少共模噪声，这在差分传输线中会成为问题。例如，您的电路板上可能有一个靠近电源的电路。在工作期间，它可能会向地线发送浪涌，导致电压升高，从而将共模噪声引入信号线。这种噪声会干扰音频、视频、数据和通信信号，并损坏互连设备。共模噪声也可能来自其他地方并馈入线路。
使用共模扼流圈滤除共模频率可产生具有所需频率的非常干净的信号。如果所选组件不满足正确的过滤要求，则可能会导致系统出现问题，例如，备用摄像头的视频流无法通过。获取数据至关重要，并且需要满足某些参数。因此，电路设计人员在选择共模扼流圈时需要小心；选择符合 OPEN Alliance 散射参数或 S 参数标准严格要求的参数至关重要。
S 参数测试将 xBASE-T1 UTP 视为平衡传输线，并检查反射是否会导致过多的功率损耗或模式转换，从而破坏信号。测试包括：
Sdd21——输入差分插入损耗，表示差模传输的信号质量损失
Scc21 – 共模衰减，表示性能
Sdd11 – 输入差分回波损耗测量反射的幅度（以 dB 为单位），表示功率损失
Ssd21 – 差分共模抑制测量收发器侧的幅度（以 dB 为单位）
由于 S 参数随测量频率而变化，因此除了特性阻抗或系统阻抗之外，还必须指定频率。
为了展示选择符合 OPEN 联盟标准的共模扼流圈的重要性，我们比较了 TDK ACT1210 系列的两个元件。ACT1210L-201 符合 OPEN Alliance 100BASE-T1 标准，而用于 CAN-BUS 的 ACT1210-110 则不符合这些标准。
ACT1210-110 和 ACT1210L-201

图 1：用于 CAN-BUS 的 ACT1210-110 与用于汽车以太网的 ACT1210L-201 的比较

从S参数比较（图1）可以看出，不合格的ACT1210-110组件无法满足OPEN联盟标准。不是为汽车以太网设计的组件的 EMI 和 BCI 抗扰度较差。因此，可能会辐射噪声并干扰信号，从而影响其他通信。S参数的Sdd21特性具有波形质量，Scc21特性具有EMC抑制效果，Ssd21（DCMR）特性是影响BCI电阻的参数。因此，需要选择与模式转换特性DCMR（Ssd21）兼容的共模扼流圈，同时确保符合OPEN联盟S参数标准的高电感值。
因此，TDK 提供了广泛的先进产品组合来解决这一问题，包括符合 OPEN 联盟标准的共模扼流圈。ACT1210L (100BASE-T1) 和 ACT1210G (1000BASE-T1) 系列在行业中的独特之处在于磁芯铁氧体材料的选择和所使用的绕线技术的结合。TDK 拥有丰富的经验，并鉴于其传统的铁氧体材料定义了适合信号滤波的磁芯材料。自动绕线系统采用了一种消除电容的技术，电容通常是在绕线过程中引入的。它还抵消了材料本身的损失。与手动上弦相比，使用自动上弦的另一个好处是设计可重复且一致，确保不同批次之间的电气性能没有偏差。该组件的整体结构也非常坚固。我们使用激光焊接来确保元件的良好端接，在回流焊接过程中不会受到损害。
ACT1210L和ACT1210G系列实现了业界的性能特征，特别是在满足Ssd21要求的模式转换能力方面。这些符合 AEC-Q200 标准的无源元件采用紧凑型 3225 尺寸，支持 -40°C 至 +125°C 的工作温度范围。ACT1210L 可以实现高水平的 Scd21 模式转换特性，同时在 100kHz 下保持高达 200μH 的高电感值。ACT1210G 面向更快的 1000BASE-T 应用，具有相同的 3225 占位面积，还实现了高 S 参数，在 100kHz 时的电感值为 80μH。
ACT1210G 共模扼流圈的 S 参数

图 2：ACT1210G 共模扼流圈的 S 参数以及它们与 OPEN Alliance 限制的比较

结论
目前，汽车以太网刚刚兴起，几乎所有车辆都使用它进行诊断。随着越来越多的摄像头、雷达、激光雷达和其他传感器设备用于关键车载系统，将需要更快的速度和更高的处理能力，这将进一步推动汽车以太网的使用。随着行业转向更多 L3 和 L4 自主系统，这一点是一致的。
TDK在信号滤波领域拥有多年的经验。在开发汽车级 ACT1210 共模扼流圈时，我们的工程师在将其推向市场之前与半导体制造商密切合作。这使我们能够了解供应商和其他 OEM 所要求的过滤要求和可用 PCB 占用空间 - 一种三角关系。
对于共模扼流圈，TDK 超越了汽车行业的要求。我们的汽车级以太网组件在日本的内部设施中经过了严格的测试，达到了标准中规定的更严格的限制线。此外，该组件的整体结构非常坚固。