【導讀】suizhexiandaiqichedewanglianhuariyipuji，duidianzixitongdeyilaichengduyuelaiyuegao，qicheyitaiwangzaicheqipingtaishangdecaiyonglvyezaiwenbushangsheng。rujin，yitaiwangyichengweichezaixinxihulianzhongzhiguanzhongyaodewangluoxieyizhiyi
，zhichizhenduan
、信息娛樂
、導航和通信等廣泛的功能。

事實上，由於具有高數據傳輸速率
、可ke擴kuo展zhan性xing和he低di延yan遲chi等deng技ji術shu特te性xing
，汽qi車che以yi太tai網wang很hen有you可ke能neng在zai下xia一yi代dai汽qi車che中zhong站zhan穩wen腳jiao跟gen。不bu過guo

，技ji術shu永yong遠yuan不bu會hui停ting滯zhi不bu前qian
，工gong程cheng師shi們men一yi直zhi在zai尋xun找zhao新xin的de方fang案an，推tui動dong以yi太tai網wang的de發fa展zhan，以yi確que保bao其qi能neng夠gou適shi應ying未wei來lai所suo需xu。

在本文中，我們將介紹汽車以太網的興起和演變
，並分析其新近發展出的變體之一——10BASE-T1S——在新興汽車區域架構中的功能和優勢。接下來
，本文將討論典型的10BASE-T1S汽車網絡的布局，以及如何使用TDK的共模扼流圈和壓敏電阻為其提供所需的穩健而可靠的保護。

以太網在汽車中的應用

隨著汽車中電子控製單元（ECU）數量的增長和速度的提升，汽車行業意識到，以前為其提供支持的傳統車載網絡（例如CAN）所提供的帶寬，已經無法滿足新的需求。在2000年代中期
，汽車製造商開始探索將可信以太網協議作為數據連接選項。

2016年，IEEE在其IEE802.3bw文檔中發布了第一個汽車以太網標準100BASE-T1。與IEEE合作的是OPEN聯盟（One-Pair EtherNet Alliance），這zhe是shi一yi個ge非fei營ying利li性xing的de開kai放fang行xing業ye聯lian盟meng，主zhu要yao由you汽qi車che行xing業ye廠chang商shang和he技ji術shu提ti供gong商shang組zu成cheng
，旨zhi在zai通tong過guo聯lian盟meng成cheng員yuan的de合he作zuo
，推tui動dong在zai汽qi車che網wang絡luo應ying用yong中zhong大da規gui模mo采cai用yong基ji於yu以yi太tai網wang的de網wang絡luo
，並bing製zhi定ding新xin的de標biao準zhun和he測ce試shi規gui範fan。

雖然傳統以太網（10/100 BASE-T）與其麵向汽車行業的“親緣”標準版本之間存在相似之處，但也有一些明顯的差異。兩種版本都使用UTP電纜，即將兩根銅線絞合在一起，以減少電磁輻射，避免與其他電纜和組件之間的串擾，同時也可以減輕來自其他幹擾源的影響。

但是，傳統以太網使用兩對電纜：一對在一個方向上傳輸發射信號
，而另一對則在相反方向上傳輸接收信號。相較而言

，汽車以太網僅使用一對電纜（稱為單對以太網或SPE）進行發送和接收
，這意味著更少的電纜使用、成本更低。而且單對也意味著“平衡”
，因為其在每根導線上傳輸幅度相等但極性相反的信號。傳統以太網的電纜長度可達100米，而汽車以太網的長度僅能達到15米，該距離更契合車輛的大小和規模的要求。

這兩個版本以太網標準的另一個關鍵的區別在於，適用於計算的RJ45連接器對於汽車應用來說太大了，因此需要更換。但是，人們就標準連接器類型尚未達成一致。傳統標準使用多級傳輸（MLT-3）編碼，該編碼通過三個電壓電平周期將比特數據編碼到電纜上。

相比之下，汽車以太網采用的脈衝幅度調製（PAM）shiduijuyoubutongfududedianyadebiteshujujinxingbianma，yincikeyizaimeicitongxinzhongfasonggengduoweideshuju。jiangcifanganyuqitabianmajishuxiangjiehekejiangdichuanshupinlv
，youzhuyujianshaodianciganrao（EMI）和串擾。100Mb/s IEEE802.3bw版本的以太網標準已廣泛應用於交換式點對點汽車應用
，如圖1所示。

圖1：汽車以太網通常以交換網絡的形式實現

（圖源：TDK）

10BASE-T1S的誕生

以太網開始時是為多點網絡設計的，采用CSMA/CD（帶有衝突檢測的載波偵聽多路存取）協議傳輸數據。雖然這種“盡力而為”的數據傳輸技術滿足了通用計算的網絡要求
，但其由數據包衝突引起的非確定性——即無法保證在指定的時間間隔內傳輸數據——意味著多點以太網網絡不適用於安全敏感型的實時應用。

隨著高級駕駛輔助係統（ADAS）等更多安全功能被添加到新的車型中，這一“短板”對(dui)汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)來(lai)說(shuo)成(cheng)為(wei)了(le)關(guan)鍵(jian)問(wen)題(ti)，汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)也(ye)在(zai)尋(xun)找(zhao)向(xiang)新(xin)型(xing)區(qu)域(yu)架(jia)構(gou)過(guo)渡(du)的(de)方(fang)法(fa)。區(qu)域(yu)體(ti)係(xi)結(jie)構(gou)中(zhong)的(de)連(lian)接(jie)基(ji)於(yu)物(wu)理(li)位(wei)置(zhi)，而(er)不(bu)是(shi)基(ji)於(yu)域(yu)的(de)體(ti)係(xi)結(jie)構(gou)中(zhong)所(suo)支(zhi)持(chi)的(de)功(gong)能(neng)。這(zhe)樣(yang)做(zuo)的(de)好(hao)處(chu)是(shi)能(neng)夠(gou)減(jian)少(shao)ECU的數量，從而減小線束的尺寸。此外
，它還消除了硬件和軟件之間的相互依賴，從而實現麵向服務的體係結構（SOA）。

10BASE-T1S就是為了滿足汽車（和工業）領域對可靠和確定性高速數據通信的要求而開發的。它作為時間敏感網絡（TSN）係列標準IEEE 802.3cg的一部分。10BASE-T1S與其他汽車以太網技術不同，因為它支持多點拓撲，其中所有節點都使用相同的非屏蔽雙絞線電纜連接。

由於總線的部署隻需要在每個節點上有一個以太網接口（PHY），而無需像其他形式的汽車以太網那樣采用交換機或星形拓撲，因此成本更低。該標準規定至少支持八個節點，且可以支持長達25米的總線長度。

10BASE-T1S的另一個新功能是PLCA（物理層防衝突）

，kefangzhigongxiangwangluojiezhishangdechongtu。gaigongnengkequebaoquedingxingdeyanchi
，zhejutiqujueyuwangluojiediandeshulianghechuanshudeshujuliang。meigejiediandoukeyijinxingshujufasong。ruguomeiyouyaofasongdeshuju，tahuijiangchuansongjihuichuandigeixiayigejiedian，congergengyouxiaodiliyongkeyongdaikuan。

10BASE-T1S網絡是交流耦合的

，這意味著其也支持供電。這樣就可以進一步簡化布線並減小連接器尺寸，提高整體網絡可靠性。PoDL（數據線供電）功能已經可用於點對點應用，IEEE目前正在努力將此功能擴展至多點拓撲並實現標準化。表1顯示了10BASE-T1S的物理層特性。

表1：10BASE-T1S的物理層特性

（資料來源：TDK）

10BASE-T1S

網絡保護的挑戰與對策

雖然以太網提供了出色的鏈路魯棒性，但在汽車等電氣噪聲複雜的環境中部署以太網，會麵臨著前所未有的挑戰。用於驅動電動汽車（EV）的電機是輻射或傳導 EMI 噪聲的來源。EMI和電氣瞬變形成的噪聲源，會對高速數據傳輸產生幹擾。雖然雙絞線SPE電纜能夠減少共模噪聲的影響，但還是不可避免地會產生一些感應噪聲。

傳導噪聲和輻射噪聲有不同的類型：

共模噪聲

共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)表(biao)現(xian)為(wei)疊(die)加(jia)在(zai)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)端(duan)子(zi)以(yi)及(ji)正(zheng)負(fu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)軌(gui)上(shang)的(de)信(xin)號(hao)。為(wei)了(le)降(jiang)低(di)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)
，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)所(suo)需(xu)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)的(de)不(bu)間(jian)斷(duan)傳(chuan)輸(shu)

，開(kai)發(fa)者(zhe)經(jing)常(chang)會(hui)采(cai)用(yong)共(gong)模(mo)扼(e)流(liu)圈(quan)（CMC）——它是由圍繞鐵氧體磁芯的兩個繞組組成的磁性元件。

差模噪聲性

差模噪聲信號以相反方向流動，可以使用由電感、電容或差模扼流圈組成的濾波器進行抑製。

靜電放電（ESD）

靜電放電（ESD）會導致瞬態電壓尖峰（較大的dV/dt），從而在電纜上引發具有破壞性的高電壓，損壞半導體和其他元器件。壓敏電阻或瞬態電壓抑製器（TVS）有助於防止ESD的潛在有害影響。

圖2說明了如何利用CMC和壓敏電阻的組合來保護網聯汽車中包含多個ECU的典型多點10BASE-T1S網絡。

圖2：在多點架構中保護10BASE-T1S網絡節點（圖源：TDK）

實現SPE保護

由於10BASE-T1S采用多點連接
，許多ECU連接在一條總線上，因此由於線束的長度不可避免地會發生信號反射。而且，多個ECU引yin入ru的de額e外wai電dian容rong會hui導dao致zhi數shu據ju信xin號hao振zhen鈴ling。此ci外wai，由you於yu差cha分fen通tong信xin線xian路lu中zhong使shi用yong的de電dian子zi元yuan件jian的de性xing質zhi
，傳chuan導dao模mo式shi有you時shi可ke以yi從cong差cha模mo轉zhuan換huan為wei共gong模mo，反fan之zhi亦yi然ran，這zhe稱cheng為wei模mo式shi轉zhuan換huan。

模式轉換導致差分信號轉換為噪聲或噪聲轉換為差分信號
，從而導致ECU的抗噪性變差
，由此可能導致其發生故障或產生更多噪聲。

這些問題是由於差分通信線路中的不對稱（電感和電容的差異）引起的。對於汽車以太網，模式轉換特性（Sdc11、Ssd21、Ssd12）、回波損耗（Sdd11）和插入損耗（Sdd21）通常用於元件選擇和ECU設計。IEEE802.3cg中（Sdd11，Sdc11）已經為這些S（散射）參數建立了標準線。因此，單個和組合組件的S參數是設計ECU時必不可少的指標。

TDK的ACT1210E係列共模扼流圈/濾波器是用於汽車以太網10BASE-T1S的產品。這些器件采用TDK專有的繞線結構和材料，可實現出色的S參數值（圖3）。

圖3：ACT1210E係列CMC/濾波器的Sdd11和Sdc11性能（圖源：TDK）

由於繞組線和金屬化端子之間采用激光焊接，使得這些產品在-40°C至+125°C的工作溫度範圍內具有很高的抗熱衝擊特性及出色的可靠性。表2總結了TDK推薦的用於汽車網絡的ACT係列CMC的主要特性。這些CMC符合10BASE-T1S EMC測試規範
，其出色的匝間雜散電容和模式轉換特性使其成為10BASE-T1S安裝的理想選擇。

*符合OPEN聯盟10BASE-T1S EMC測試規範

表2：可降低汽車網絡中共模和差模噪聲的CMC（資料來源：TDK）

ACT1210E

以太網10BASE-T1S共模濾波器

TDK ACT1210E共模濾波器設計用於汽車以太網10BASE-T1S的保護
，其采用3.2mm x 2.5mm x 2.5mm封裝，符合AEC-Q200 Rev. D標準。由於使用了TDK專有的繞線結構和高品質材料，可實現高散射參數（S參數）和高至10pF的線對線電容。ACT1210E的工作溫度範圍為-40℃至+125℃，通過將繞組線激光焊接到金屬化端子
，可實現高耐熱性和出色的可靠性。

圖4：ACT1210E共模濾波器結構

（圖源：TDK）

同樣，設計中對於ESD抑製元件也有嚴格的要求，包括與標準ESD元件相比更低的電容和更窄的容差要求。

TDK AVRH10C101KT1R2YE8和AVRH10C221KT1R5YA8貼片壓敏電阻是AVR-H 壓敏電阻係列的成員，具有高ESD保護性能

，電容僅能達到1.5pF（典型值），容差僅有±0.13pF（表3）。此外
，AVR-H壓敏電阻具有增強的魯棒性，工作溫度高達150℃，且性能不會降低。這些壓敏電阻為ECU網絡設計提供了高ESD抗擾度，同時對通信質量和模式轉換特性的影響極小。它們還符合AEC-Q200汽車可靠性標準，這使其很適合作為10BASE-T1S汽車以太網應用中的ESD保護組件。

表3：推薦使用壓敏電阻/TVS保護10BASE-T1S網絡免受ESD影響（資料來源：TDK）

AVR-H

壓敏電阻係列

TDK的AVR-H壓敏電阻符合AEC-Q200標準，這些器件采用IEC 1005 (EIA 0402) 封裝
，尺寸緊湊，僅為1.0mm x 0.5mm x 0.5mm

，在與現有元件性能相當的情況下


，其尺寸減小了75%。這些小尺寸、高可靠性片式壓敏電阻的工作電壓可達19V至70V
，電容範圍為4.7pF至50pF。AVR-H壓敏電阻具有-55℃至150℃的寬工作溫度範圍，可承受25kV接觸放電，符合IEC 61000-4-2標準要求，是10BASE-T1S汽車以太網
，以及LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay等傳統車載網絡保護的理想選擇。

圖5：AVR-H壓敏電阻在SPE保護中的應用

（圖源：TDK）

打造可靠而穩健的車載網絡

總之
，在支持下一代車輛區域架構部署方麵，多點10BASE-T1Sjishujiangfahuihexinzuoyong。dangran，zaibuyingxiangdaikuanheyanchidengyinsudeqiantixia，quebaowangluokekaoxinghewenjianxingrengranshigongchengshishejishideshouyaokaolvyinsu。gaozhiliangdezaoshenglvboheESD保護解決方案，是實現這一目標的必要條件。

TDK提供符合汽車標準的CMC和壓敏電阻/TVS
，以保護10BASE-T1S網絡，以及其他形式的汽車以太網（例如100BASE-T1）和其他傳統汽車網絡。如需了解相關產品和解決方案的更多技術信息
，請訪問貿澤電子官網中的專題頁——

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