用于ADAS的车载Ethernet 1000Base-T1降噪措施

周二, 7 七月 2020 - 16:20

1. 汽车车载以太网的普及

作为支持ADAS的设备，各种传感器和摄像头已被逐渐配置于汽车中。摄像头数据传输通常使用LVDS等接口，而传输LiDAR等传感器的数据时，采用车载以太网的案例则正逐渐增多。办公用以太网采用了100Base-TX或1000Base-T标准，而用于汽车的以太网则规定使用100Base-T1或1000Base-T1标准。
<img alt="汽车车载" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="47cffac2-68e1-48d0-86d3-90b700ac1d1e" src="/sites/default/files/inline-images/1_119.png" />
2. 通过车载以太网传输信号

以太网等的车载接口采用了外部噪声的影响较少或辐射较少的差动传输信号。外部噪声通常会同时出现在两条差动传输信号线上，对其差分没有影响，因此差动传输信号线的抗外部噪声能力较强。另外，成对的信号线相邻，因此信号电流产生的磁场相互抵消，具有不易向外部辐射噪声的优点。
<img alt="针对外部噪声" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="fe65fc77-b27e-403b-96ec-8359bc83457c" src="/sites/default/files/inline-images/2_6.PNG" /><img alt="针对噪声辐射" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="82d5690d-597c-4ffc-9b94-752e6f5d0c7d" src="/sites/default/files/inline-images/3_6.PNG" />
3. 车载以太网的噪声问题

差动传输线虽然被认为不易产生噪声，但却会由于各种因素而产生共模电流，从而引发噪声问题。
<img alt="由于各种因素而产生共模电流" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="1fb5a44e-69f8-4195-ac3e-7e4ae8eb5399" src="/sites/default/files/inline-images/4_4.PNG" />
4. 共模噪声的产生因素

差动传输线的特点原本是不产生共模噪声，但如果两条线的信号存在偏斜（时间偏差）或振幅偏差，则两条线的信号均衡将被打破，从而产生共模噪声。
<img alt="共模噪声的产生因素" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="94e9eb84-9545-4ecb-ae4d-034f8303e941" src="/sites/default/files/inline-images/5_3.PNG" /><img alt=" 差模" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="67a5dfb7-0ba8-4a42-8a3c-33f06b880382" src="/sites/default/files/inline-images/6_1.PNG" /><img alt="共模" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="30d06c0b-6e90-45d2-ae9a-144b921aa7f6" src="/sites/default/files/inline-images/7_2.PNG" />
5. 车载以太网的静噪措施

以太网的问题 
用于以太网的电缆和HDMI、USB等的电缆之间有所区别。与成对信号线不同，HDMI或USB等的电缆中备有GND线，因此即使产生共模电流，也会通过GND线返回，从而使共模电流产生的磁场相互抵消，不易发生辐射。相反，以太网未配置GND线，因此共模电流通过对地杂散电容返回，从而具有易辐射的倾向。

HDMI、USB等的电缆
<img alt="HDMI、USB等的电缆" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="98ac60d3-8cb2-43e0-a019-65e344236229" src="/sites/default/files/inline-images/8_4.PNG" />
以太网的电缆
<img alt="以太网的电缆" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b76bf640-327e-4ce6-a8d5-d1c026e156b8" src="/sites/default/files/inline-images/9_3.PNG" />
车载以太网等的差动传输静噪措施中，共模扼流圈（CMCC）较为有效。共模扼流圈将两条线以相反方向缠绕在同一卷芯部上，对于差模电流，两条线产生的磁通相互抵消，因此不影响差动电流，而对于共模电流，两条线产生的磁通则相互加强，所以可用作电感器。因此，共模扼流圈可在不影响差动信号的基础上有效降低共模噪声。
<img alt="共模噪声" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="3c449a66-922e-4fef-87ed-88b8d89e042a" src="/sites/default/files/inline-images/10_4.PNG" />
6. 用于车载以太网的CMCC的注意事项

在车载以太网方面，CMCC的均衡也很重要。如果构成CMCC的两条线的线路长度和绕线方式出现偏差，电流均衡将被打破，模式将发生转换，从而可能产生共模噪声。因此，应选用两条线采用了均衡设计的CMCC。
<img alt="用于车载以太网的CMCC的注意事项" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="070db11b-6233-45c7-bbf7-1d06126d03f0" src="/sites/default/files/inline-images/11.PNG" />
作为最适合1000Base-T1静噪的CMCC，DLW32MH101XT2已被作为产品开发。该产品具有适用于1000Base-T1的阻抗值，并采用了不易发生模式转换的均衡设计。

DLW32MH101XT2

<ol>
<li>可有效降低汽车内部网络信号线辐射出的噪声。</li>
<li>符合车载以太网标准1000Base-T1</li>
<li>可应对汽车用途的工作温度范围（-40～125°C）</li>
</ol>

DLW32MH101XT2的传输特性
<img alt="DLW32MH101XT2的传输特性" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="89139d68-c2b0-4373-8123-b4bcd4295b62" src="/sites/default/files/inline-images/13_0.PNG" />
7. 传导发射对策

传导发射测量条件

村田使用1000Base-T1 EMC评估板进行了传导发射测量（150Ω法）。
<img alt="传导发射测量条件" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="9f0a8389-8f11-40d2-aad7-1ab53cc79cfd" src="/sites/default/files/inline-images/14_20.png" /><img alt="传导发射测量条件" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="2890d9e6-cf56-48b3-8a25-c5226ed9537d" src="/sites/default/files/inline-images/15.PNG" />
不同CMCC的降噪效果比较

从1000Base-T1 EMC评估板的信号线中提取共模噪声，用EMI接收机进行测量。 
此次通过更换CMCC进行了噪声比较。
<img alt="不同CMCC的降噪效果比较" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="950a8bac-9431-4a28-b326-f1116cdda7fa" src="/sites/default/files/inline-images/16_19.png" />
减少传导发射时所使用的CMCC

用于评估的CMCC使用了1000Base-T1用产品DLW32MH101XT2，比较对象使用了100Base-T1用产品DLW43MH201XK2，CAN使用了产品DLW32SH101XK2。
<img alt="减少传导发射时所使用的CMCC" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="325480fa-c245-4642-aa56-88d0240ea015" src="/sites/default/files/inline-images/17_1.PNG" />
 
传导发射测量结果

传导发射测量结果显示，1000Base-T1用产品DLW32MH101XT2的噪声抑制效果最为明显，且满足限值要求。而DLW43MH201XK2、DLW32SH101XK2则未能在满足限值要求之前抑制噪声。
<img alt="传导发射测量结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="f8506cc0-a9c8-4b65-b741-b3721ab26e44" src="/sites/default/files/inline-images/18_8.png" />
噪声产生机制

噪声抑制效果因CMCC而不同的原因，可能是受到CMCC模式转换特性Ssd12的影响。Ssd12值较高时，输入的差模信号转换为共模噪声的比例将增加，从而导致噪声水平增高。
<img alt="噪声产生机制" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="19171585-f58e-46a2-a9d4-2fe3ec9779e3" src="/sites/default/files/inline-images/19_7.png" />
降噪要点 
Scc21在低频段抑制共模噪声的程度、Ssd12的模式转换特性在高频段减少共模转换量的程度，将可能影响传导发射测量结果。
<img alt="降噪要点" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5438e1d2-4b1a-48f7-bf86-865f23ae5abd" src="/sites/default/files/inline-images/20_4.png" />
评估板设计的注意事项 
通过评估CMCC，村田了解了进行评估时评估板设计的注意事项。 
将用于1000Base-T1的同一CMCC样品贴装到相同条件的评估板后，结果显示二者噪声水平有所不同，其中一个评估板变为NG状态。

※即使是相同的CMCC样品，也可能因评估板状态而出现NG的情况。
<img alt="评估板设计的注意事项" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="3eead3f7-698f-49ba-b34e-336ef35e8274" src="/sites/default/files/inline-images/21_3.png" />
通过对评估板的传输线路特性进行分析，发现CMCC输出端的模式转换特性有所不同，评估板#2的值较高。
<img alt="22" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="337fb24c-043f-4fbe-a458-612632ea6d6f" src="/sites/default/files/inline-images/22_1.PNG" />
传导噪声水平因评估板而异的原因在于，通过CMCC后的差模信号在评估板上转换成了共模噪声。
<img alt="模式转换发生机制" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="7d3f5f05-d43d-4f1b-985e-e3e4d0359831" src="/sites/default/files/inline-images/23_0.PNG" />
引发模式转换的因素可能包括CMCC输出端的电阻、电容器和电路板引线等，因其特性偏差而导致了不均衡现象的发生。

因此，对于CMCC以外的部分也应注意保持各条线的特性均衡。
<img alt="可能引发模式转换的因素" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="9dd4d5f0-e7d2-4a32-a04d-5293452907d4" src="/sites/default/files/inline-images/24.PNG" />
100Base-T1的传导发射

对100Base-T1进行了相同的传导发射测量后，发现用于CAN的DLW32SH101XK2超出限值，而100Base-T1用产品DLW43MH201XK2则能充分有效地抑制噪声且满足限值要求。
<img alt="100Base-T1的传导发射" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ad298495-65d9-444a-87df-df33fdc2e68f" src="/sites/default/files/inline-images/25_0.PNG" />
100Base-T1与1000Base-T1的区别

100Base-T1与1000Base-T1的差模信号所含频率成分不同，所以所需模式转换特性也不同。因此，应选用按各自标准设计的CMCC。
<img alt="差动信号波形频谱" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="de881d31-5f08-4612-8d74-6415a1933884" src="/sites/default/files/inline-images/26_0.PNG" />
8. 抗扰度（DPI）试验对策

村田使用与传导发射相同的1000Base-T1 EMC评估板进行了DPI（Direct Power Injection）试验。
<img alt="抗扰度（DPI）试验对策" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="f90c91f1-b512-40f5-a9f1-5aaf0a8e8456" src="/sites/default/files/inline-images/27_3.png" /><img alt="抗扰度（DPI）试验对策" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="748ba88d-66e9-49d7-8957-5db311d74c57" src="/sites/default/files/inline-images/28.PNG" />
从外部向1000Base-T1 EMC评估板的信号线注入共模噪声，在控制PC中确认了是否发生通信错误。
<img alt="共模噪声" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="57a56fa4-10ed-4137-97ca-d29492d2279d" src="/sites/default/files/inline-images/29.png" />
与传导发射相同，该试验使用了用于1000Base-T1的CMCC，即DLW32MH101XT2、用于100Base-T1的DLW43MH201XK2，以及用于CAN的DLW32SH101XK2进行了评估。
<img alt="DLW32SH101XK2进行了评估" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="2495d802-88f3-42ef-ab44-50ce3d91af08" src="/sites/default/files/inline-images/30.PNG" />
1000Base-T1的DPI试验结果 
在2MHz以下的低频段中，虽然电平会因CMCC不同而产生差异，但除此之外的其他表现并无差异，满足了所有限值。
<img alt="1000Base-T1的DPI试验结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="49e967dd-303a-4d71-ad09-000a16565cf7" src="/sites/default/files/inline-images/31.png" />
1000Base-T1的DPI试验结果

在2MHz以下频段，因CMCC而出现的不同可能取决于Scc21因素。因模式转换特性而产生的差异并未影响DPI试验。
<img alt="1000Base-T1的DPI试验结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="f9d4c4d4-b3ef-400c-95e3-04af36f5fff1" src="/sites/default/files/inline-images/32_0.png" />
9. 抗扰度（DPI）试验对策的要点

100Base-T1的DPI试验结果

继1000Base-T1之后，在100Base-T1下进行的DPI试验结果显示，用于100Base-T1的CMCC满足限值要求，而使用用于CAN的CMCC时，不仅在1MHz以下低频段的表现逊色于用于100Base-T1的CMCC，且在8～60MHz范围内还低于限值，结果为NG。
<img alt="100Base-T1的DPI试验结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5c2e268c-4986-4112-87db-00ae48f9d0a8" src="/sites/default/files/inline-images/33_0.png" />
在2MHz以下频段的不同可能取决于Scc21因素。此外，在8～60MHz频段的不同则可能取决于模式转换特性。
<img alt="转换特性" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="a741cf7c-1ea1-4b06-8369-5d566ede0c96" src="/sites/default/files/inline-images/34.png" />
噪声侵入机制

在100Base-T1下，CMCC的模式转换特性对试验结果产生了影响，其原因可能在于从外部注入的共模噪声转换为差模噪声，使信号波形失真，进而引发通信错误。
<img alt="噪声侵入机制" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="49fb439a-2e9a-409d-af85-85be7340a86d" src="/sites/default/files/inline-images/35_0.png" />
评估板设计的注意事项

与传导发射相同，除CMCC以外，因评估板上不均衡的设计而发生的模式转换也会产生影响，因此进行评估板设计时需要加以注意。
<img alt="评估板设计的注意事项" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="dc1112ec-afc2-4490-bb8c-0faf9d91b74a" src="/sites/default/files/inline-images/36.PNG" />
10.总结 
车载以太网标准1000Base-T1要求用于静噪的CMCC需具有高性能，而模式转换特性则尤其重要。

评估传导发射时，需要准备满足1000Base-T1的要求值且具有模式转换特性的CMCC，以达到抑制噪声的目的。用于CAN或100Base-T1的CMCC无法满足限值要求。

即便使用用于1000Base-T1的CMCC，也有可能因电路板的设计或要贴装的元件的偏差而使模式转换特性的性能降低、噪声增加，因此设计时需要加以注意。

抗扰度试验，即DPI试验对CMCC性能的要求比传导发射试验低，但由于抗噪性因PHY而异，因此建议选择模式转换特性较低的CMCC。

本文中介绍的用于车载以太网的CMCC

用于1000Base-T1

DLW32MH101XT2

<ol>
<li>可有效降低汽车内部网络信号线辐射出的噪声。</li>
<li>符合以太网标准1000Base-T1</li>
<li>可应对汽车用途的工作温度范围（-40～125°C）</li>
</ol>

用于100Base-T1

DLW43MH201XK2

<ol>
<li>长4.5×宽3.2×高2.7mm 尺寸公差为±0.2mm的小型款</li>
<li>虽然外形小巧，但却可以实现200μH（在0.1MHz下）的共模电感</li>
<li>可大幅改善模式转换特性</li>
</ol>