打造可靠稳健汽车以太网，我们应该怎么做？

作者：Mark Patrick

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元件。

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元件的性质，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）通常用于元件选择和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抑制元件也有严格的要求，包括与标准ESD元件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，在与现有元件性能相当的情况下，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。