车辆中多千兆以太网的光学连接

智能汽车电子与软件 2023-01-05 17:50 1194浏览 0评论 0点赞

超低功耗CW32L083系列 从周级到天级：云仿真加速实战

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来源：智车Robot

作者：Bruce Jiang

引言

电气和自动驾驶结构大大推动了布线系统的挑战。问题包括电磁干扰、电磁敏感性和重量减轻。此外，汽车应用、使用和安全要求还大大提高了必要的网络速度。汽车中新的48伏电气结构还推动了跨域隔离要求的范围。通信速率超过100 Mb/s的铜线链路需要较重和昂贵的解决方案才能符合严格的OEM EMC规范，导致成本高昂，工程非常困难。此外，所需电缆直径不断增大的重量与电动动力总成的续航距离之间存在矛盾。

光网络技术克服了这些趋势，得益于其固有的静电隔离、鲁棒性、低成本和低重量。

汽车制造商可以利用光纤链路在48V和12V域之间进行通信。就重量而言，光网络可以节省相当于铜线线束的30％以上重量。光以太网提供了100 Mb/s和1 Gb/s的网络解决方案，而多千兆以太网是车载网络的重大突破。作为以太网标准802.3的修正案，光学多千兆以太网的标准化工作已经在IEEE开始。

低重量和坚固性

POF光纤是最可靠的解决方案：塑料光纤可以承受恶劣的环境、振动、错位、污染、湿度、宽温度范围等。此外，POF允许快速动态弯曲、紧静态弯曲和浸泡在液体中。另外，光纤以太网产生非常低的噪声，可以在嘈杂的环境中运行，例如在射频电子板中。有了光纤和铜线并行，光网络提供ASIL-D安全架构，ASIL-D=ASIL-B+ASIL-B。

关于重量，光纤也具有显著的优势。与屏蔽双绞线（STP）相比，塑料光纤可将重量减少30％以上：POF重量为10g/m，直径为2 x 2.3mm。相比之下，JTP铜线为13g/m，STP铜线总计为25 g/m，直径为5mm。

电磁兼容性

光学数据网络具有其固有的电磁兼容性（EMC），是完全电力或混合动力传动系统的最佳技术选择。光纤通信在电磁干扰（EMI）和电磁敏感性（EMS）方面具有出色的性能。由于POF本身具有电隔离功能，POF对电磁场具有天然的免疫性和稳定性。在许多用例中，可以使用光纤网络来解决由混合动力车辆（HEV）和电动车辆（EV）动力总成中的EMI / EMS或缺乏铜基网络的潜在隔离所引起的问题。

京都大学工程研究生院的论文《脉冲干扰对1000BASE-T1通信质量下降的实验调查》中，对1000BASE-T1的通信质量与干扰的脉冲宽度之间的关系进行了实验调查。由于共模反射和模式转换，FER（帧误码率）在特定脉冲宽度下增加了两个数量级以上。他们得出结论，具有急剧变化的脉冲干扰会显著降低通信质量

“100Base-T1通信线对耦合快速开关高压脉冲的易感性”研究了高压（HV）系统与100Base-T1双绞线以太网通信之间的耦合效应以及脉冲干扰对通信性能的影响。由于电池电压高达850V，再加上逆变器的更快开关时间，HV系统的干扰潜力可能足以对通信质量产生性能降低的影响。由于电容耦合夹（CCC）脉冲的振幅和带限功率（限制在66.6 MHz）的减少，从200V振幅脉冲开始，数据速率就会减少。大于400V的脉冲会将数据速率降低到20％。

混合/纯电动力系统中的噪声传播

混合动力和纯电动汽车的动力总成需要安装在车辆各处的多个电子控制单元（ECU）。这些ECU调节和控制电池、变流器和电机/发电机之间的电能流动。能量流动和转换产生电器噪声，这将影响车辆的其他部分，如现在的信息娱乐或导航系统，以后的自动驾驶系统。通过光学连接ECU，可以将每个噪声限制在产生它的ECU中，避免其传播到整个车辆上分散的其他ECU。用基于铜的网络实现类似的隔离是非常困难和昂贵的，这意味着更长的工程开发周期，更昂贵和复杂的ECU，这可能反过来意味着较低的可靠性。

德国多特蒙德EMC测试有限公司在论文《HV电池电缆的排放对汽车应用中双线以太网通信的信号完整性的影响》中研究了HV牵引系统与100Base-T1通信之间的耦合。逆变器的电压接近400V的极限。在时域中测量的差分模式下的PHY端口电压有达到2V的峰值。这表明UTP电缆很容易受到由这些高压（HV）牵引系统和通信信道之间的EMC耦合引起的电磁干扰。

另一项研究考察了“高效功率电子对具有自动驾驶功能的电动汽车的EMC影响”。为了提高电动汽车的能效，使用了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）半导体。与目前部署的硅半导体（120 ns）相比，这些半导体可以更快地切换电池电压（4 ns）。另一种提高效率的方法是增加电池电压，这可以减少牵引系统中的电流损耗。由于这两种方法，汽车的高压（HV）部件的电磁辐射显着增加。

电池管理系统中的隔离

电动汽车或混合动力汽车中的推进电池被分组控制，由电池管理系统（BMS）控制。尽管在电池集群和控制模块之间传输的数据量不是很高（通常低于100 Mb/s），但BMS控制模块与各个电池集群之间的通信至关重要，并且需要非常可靠。这些BMS链接对于避免电池损坏至关重要，并且在紧急情况下（如崩溃或火灾）也必须适用。BMS控制模块和电池簇之间的光纤链路是确保所需的高可靠性的最佳方式。基于铜的通信会产生寄生回路，在紧急事件发生时，可能会给司机和乘客带来危险的情况。

传统的BMS架构

对于电池单元的感测和监控，无线通信是理想的，可以与光以太网链路共存，以连接高压和低压ECU。

无线监测的好处包括链路可靠性，因为链路短而且在高压设备内部。定期监测信息不是关键的，因为它是连续采样的。此外，线路复杂性降低。它还允许在以前不适合安装接线管的位置安装传感器。此外，尺寸、重量和成本最小化。

与隔离的CAN总线相比，光纤以太网的优势包括在非常嘈杂的环境中，如具有高电压和非常低开关时间的电力电子设备，具有更高的电磁兼容性。因其固有的接地隔离，可以保证安全性。由于电池组可以分布在较大的车辆区域，因此工程简单易行。以太网是一种标准解决方案。将所有ECU集成到同一网络中，并与BMS系统的其他ECU一起，可以提高系统在整个汽车架构中的集成度，从而降低成本。

新的BMS架构结合了两种技术的优势

48V跳跃式启动寄生高能脉冲

基于48V的能源网络或混合12-48V拓扑将继续成为HEV和插入式混合动力汽车（PHEV）动力总成的主流。高低压ECU一起连接到汽车底盘的电气地线，在动力系统中不断发生的启动事件上产生问题。例如，信息娱乐系统与能源生成和控制系统共享电气接地。在启动时，通过连接到相同电气接地的车辆底盘的电缆屏蔽，可以测量到高于8安培的电流，铜缆屏蔽为不同ECU的电流提供了一个平行的返回路径。据欧洲一家主要汽车制造商报告，如果低压系统（如信息娱乐系统或ADAS）之间的通信链路是光学的，那么本地的静电隔离将使它们与高压/高能系统及其相关事件隔离，从而保护其可靠性。

48/12V系统的故障保护

在48/12V混合能源系统中，48V用于“饥饿”的电子模块，如启动器、发电机或电池模块，而12V则专用于更“精致”的电子模块，如信息娱乐或ADAS处理单元。两个域共享相同的接地系统，即汽车底盘。48V 域的ECU采用适合这种电压设计的电子元件，这些元件通常额定电压超过70伏。12V ECU采用的电子元件可支持高达60V的电压。如果48V ECU中发生接地丢失事件，并且48V和12V域之间存在非静电隔离的连接，则两个域之间将存在电路。这将使12V ECU及其元件承受超出其额定电压的电压，从而导致故障或降低其使用寿命。

符合EMC要求

EMC认证是Tier1和OEM验证平台的关键步骤之一。通信速率高于100 Mb/s的铜线需要复杂昂贵的解决方案才能符合严格的OEM EMC规范：高质量屏蔽、受控对绞、复杂的直接连接器等。光端口可以更容易地通过EMI和EMS。这直接影响了线束和连接器的成本，更不用说分配给开发和调试阶段的工程资源了。

光端口比铜端口更容易通过EMI和EMS

标准化和合规性

IEEE 802.3™标准

IEEE Std 802.3bv是IEEE 802.3标准的修正案，IEEE Std 802.3bv for gigabit Ethernet over POF 定义了利用POF的汽车、工业和家庭网络应用物理层规范和管理参数。KDPOF技术完全满足新的IEEE修正案的条件，为汽车应用提供可靠和经过验证的解决方案。KD1053收发器完全满足汽车制造商的要求，提供高度连接性、灵活的数字主机接口、低延迟、低抖动和低连接时间。该收发器经过优化，具有低功耗和小体积，可按照1000BASE-RH（IEEE 802.3bv）标准在标准SI-POF、MC-POF或PCS上传输数据，速率为1000/100 Mb/s。

ISO 21111

国际标准化组织（ISO）通过补充部分ISO 21111-3:2020和ISO 21111-5:2020，为通过POF技术实现每秒1Gigabit可靠车载数据传输指定了进一步的特性。ISO 21111-3:2020指定了除IEEE 802.3bv之外的其他特性，如唤醒和同步链路睡眠算法。它还包含实现此标准的IC供应商的一致性测试计划。

ISO 21111-5:2020指定了系统级别的要求以及实现ISO 21111-3中指定的光学1 Gb/s物理层的ECU供应商的完整符合性和互操作性测试计划。基于这些标准，KDPOF的光学技术可以为汽车制造商和Tier1提供完整、兼容和互操作的实现。

参考设计

KDPOF提供了一个参考设计板，用于1000BASE-H和100BASE-H的符合性实施。它作为Tier1如何将物理层集成到ECU中的指南。除了解决元件选择（时钟、PMIC、Cs、Rs、Ls、滤波器）外，该板还建立了电源分配网络（去耦、滤波、稳定性）和信号完整性。该板实现了唤醒功能，以及支持多种接口（MII、RMII、RGMII、SGMII），该板实现了符合ISO标准的唤醒和睡眠功能。其他特点包括PCB堆叠和布局、技术评估车和全温度范围。

降低成本

作为一种大直径的塑料光纤，POF的制造和安装更具成本效益：安装只需要简单的插拔；缠绕和夹紧类似于铜线缆。此外，在汽车装配过程中，光纤线束可以与铜线束一起安装。POF已经在汽车上使用了10多年，并已安装在数百万辆汽车上。

KDPOF正在开发新的集成设备以进一步降低成本。集成的光纤收发器（FOT）KD9351是第一款用于光学车载连接的设备，它将收发器IC、光电子器件和光学器件集成在一起。集成的FOT是一个单一组件，从100 Mb/s到1 Gb/s的光学端口，成本和体积都有所降低，可用于汽车以太网连接。减少部件数量也减少了测试和资格的工作量。因此，与STP相比，总体费用大大降低。此外，更多的优势是供应链中链接之间的没有余量堆叠和供应链的简化。因此，它为EMC关键或导电隔离关键链路提供了有竞争力的价格。KD9351提供了一种完整的新FOT设计。它重用低成本的MEMS封装，允许使用8×7mm LGA元件进行SMD热流道焊接。FOT完全屏蔽电磁辐射。光纤连接是通过放置在顶部的简单塑料连接器完成的。温度范围从-40°C到105°C，符合严苛的汽车环境要求。具有V2级的振动类别，可承受电机条件。此外，该设备还可以在不密封的情况下承受水。即使ECU屏蔽壳被移除，EMC性能也很好，因为屏蔽是集成到PCB元件中的。FOT和IC在PCB上的装配简化了。光学实现了发射和接收镜头。FOT设计用于广泛的应用，如车载网络、工业以太网和消费电子产品。

光学多千兆以太网

随着电动汽车、自动驾驶和V2X互联等技术飞跃的出现，汽车应用、使用和安全要求极大地提高了必要的网络速度。因此，车载网络正处于每秒一到多千兆位的速度边缘。汽车中的光多千兆以太网即将被标准化和实施。在IEEE 802.3工作组的批准下，一个由来自15家主要汽车制造商和部件供应商组成的团队，在业界的大力支持下，开始了IEEE 802.3汽车光多千兆标准的标准化工作。

利用数据通信组件演示50Gb/s的汽车以太网

工作小组于2019年夏天启动。2021年底推出了第一批原型。研究小组正在评估为汽车行业创建IEEE以太网标准，速度从2.5 Gb/s开始，最高可达25或50 Gb/s。它将利用现有的10GBASE-SR（IEEE用于工业用途的当前标准）获得适用于严格汽车要求的新技术。

新标准的关键发展目标是超强的性能。速率高将达每条线路50 Gb/s，并可扩展到100 Gb/s多条线路。温度范围从-40°C到125°C。汽车距离为15米，4个线束内连接件。公共汽车和卡车距离为40米，4个线束内连接件，25 Gb/s。并满足OEM的可靠性要求，故障率低于10 FIT（1个FIT等于每1000个设备运行100万小时出现一次故障)。

通过简单的调制，复杂度保持在较低水平。对于光纤，选择OM3等级，因为它已经被数据中心和航空电子设备广泛使用。只有广泛使用的光源才会被选择。为了实现成本效益，定义了两种连接器等级。关于拓扑，从一开始就考虑了不对称的上行和下行链路。使用节能以太网（EEE）规范是实现这一特性的合适候选。摄像头、显示器和其他不对称的用例已被纳入标准化的测试案例。。一个OAM侧信道将用于可靠性和链路管理。没有重传意味着视频分发的受控延迟。对称链路将被添加用于骨干通信。

随着成本的降低和一致性的关注，已经为nGBASE-SR开发的光学、光纤、连接器和电子元件将被重复使用。其他规格包括850nm VCSEL、多模OM3光纤、PAM2接收器和连接器。标准化工作着重于汽车要求：VCSEL的可靠性以及操作温度范围，质量等级的连接器开发，以及一个自适应的DSP来应对VCSEL的大参数偏差。提高产出率可以降低成本。

展望

光学解决方案在使用多千兆速率的车载连接应用中的关键优势，包括由于固有的电气隔离而带来的电磁兼容性（EMC）、低重量和低成本等。来自欧洲和美国不同汽车制造商的相关应用案例结合了光网络技术的全面特性和优势。全球主要的光电子、连接器和线束供应商已经准备好，并且提供了一个充足且具有竞争力的市场，提供车载多千兆所需的所有新组件：物理层（PHY）、光纤收发器（FOT）、光纤、连接器和光源。该技术将具有可扩展性，以便在未来实现更高的数据速率。通过在新标准的所有领域进行优化，可以在所有部件（CMOS IC、VCSEL、PD、接头、套管、电缆、直接连接技术、光学和镜头等）之间实现复杂性和成本的最佳平衡，以便为汽车市场提供最低成本、最可靠、最具可扩展性的解决方案。