자동차 자동차 이더넷 EMI 설계 과제

오늘날 이더넷은 Can, Lin, Flexray 및 대부분과 같은 자동차 네트워크 등급에 공식적으로 입력했습니다. 그러나 이미 네트워크가 너무 많기 때문에 왜 여전히 이더넷이 필요합니까? 이더넷을 사용할 수있는 자동차 애플리케이션은 무엇입니까? 실제로 대답은 매우 간단하며 Ethernet이 현재 사무실 네트워크 분야에서 지배적 인 이유가 있다고 말할 수 있습니다. 단순성과 현장에서 입증 된 오픈 표준은 모든 응용 프로그램 상황에서 이더넷 소유 비용을 크게 줄였습니다. 이는 최근 공장 및 가정 기술 사용자가 이더넷을 선호하는 이유 중 일부입니다. 많은 이더넷 공급 업체의 지원으로 거대한 사무실 시장과 빠르게 확장되는 소비자 시장으로 인해 이더넷의 가격 책정 수준은 "사용자 정의"계약보다 훨씬 낮을 수있었습니다.

자동차 이더넷의 초기 적용에는 일반적으로 OBD (Onboard Diagnostic System)가 포함되어 소프트웨어 다운로드 시간이 크게 줄어 듭니다. 일반적인 합의가있는 것 같습니다. OBD는 느린 전통적인 캔 대신 IP 기반 인터페이스 (즉, 이더넷의 물리적 레이어)로 전환 할 것입니다. 미래를 살펴보면 "실시간"이더넷 AVB (오디오 비디오 브리징)는 고성능 인포테인먼트 네트워크 솔루션을 제공 할 수 있지만, 직면 한 문제는 단순히 기술적 인 문제가 아닙니다. 자동차가 서비스 스테이션에 주차 되더라도 (즉, 운전하지 않음) OBD 응용 프로그램은 여전히 ​​정상적으로 작동 할 수 있습니다. 자동차가 운전할 때 자동차 제조업체는 더 엄격한 EMI 요구 사항이 필요합니다. 이더넷은 그러한 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 적이 없습니다. 그렇다면이 기술이 도전에 대처할 수 있습니까?

내열성 및 EMC 성능

산업 통제 시장은 이더넷 네트워크가 극한 조건에서 강력한 성능을 달성 할 수 있음을 입증했습니다. 이러한 응용의 대부분은 일반적으로 많은 온도 범위, 심한 진동, 높은 EMC 방사선 및 먼지가 많거나 습한 환경에 직면합니다. 이더넷 장치는 저전력 소비 및 포장 설계를 채택하므로 엔진 주변 온도가 + 85 ° C (정상 온도) 이상 상승하면 열 소산 문제가 발생하지 않습니다. 예를 들어, MindRay Semiconductor의 KSZ8041NL AM 단일 포트 빠른 이더넷 Phy 솔루션 (AECQ-100 표준을 준수)은 열 향상된 5mm x5mm MLF에서 175MW 만 소비합니까? 패키지. KSZ8041NL 시리즈는 또한 최대 125 ° C의 주변 온도를 지원하는 군사 사양 변형을 제공합니다.

산업 및 자동차 시장의 요구로 인해 많은 차세대 이더넷 장치가 ESD (정전기 방전) 성능을 크게 향상 시켰습니다. 이것은 개념의 주요 변화이며, 이전 사무실 응용 프로그램은 ESD 등급에 큰 관심을 기울이지 않았습니다. 예를 들어, Mindray Semiconductor의 KSZ8041 Phy 및 KSZ8851 컨트롤러 시리즈에는 6kV보다 큰 HBM (인체 모델) ESD 등급이 있습니다. 평가위원회는 또한 외부 과전압 보호 장비없이 9kV보다 큰 접촉 ESD 및 16.5kV보다 큰 공기 ESD 등급을 제공 할 수 있음을 보여줍니다. 이는 BMW 그룹 표준 GS 95002의 요구 사항과 같은 일반 자동차 제조업체의 전자기 호환성 (EMC) 요구 사항을 초과합니다.

전자기 방사선

현재 전자기 간섭 (EMI) 성능에 대한 업계의 엄격한 요구 사항은 모든 자동차 전기 장비가 직면 해야하는 가장 심각한 과제 중 하나입니다. 데이터 속도가 증가함에 따라 신호 전송 속도가 더 빠르고 빠르게 해져 에너지 배출량이 높아집니다. 업계가 직면 한 첫 번째 과제는 이더넷 기술의 방출 한도와 필요한 대역폭을 설정하는 것입니다.

비디오 및 카메라 이미징 전송에 관한 한, 100Mbps 빠른 이더넷이 실제로 충분한 지 또는 기가비트 이더넷의 데이터 전송 속도가 고급인지 여부에 대해서는 여전히 논란이 있습니다. 이 선택은 카메라 애플리케이션이 비디오 압축을 지원하는지 여부에 달려 있습니다.

그림 1은 MindRay 반도체의 KSZ9021 기가비트 Phy를 사용하여 이더넷 회로 보드의 전형적인 방사선 특성을 보여줍니다. 놀랍게도, 피크 방사선은 기준 클록의 125Mbps 고조파 위치에 위치하고 있으며, 이는 일반적인 OEM 한계 (이 경우 Flexray)를 초과합니다.

일관성을 유지하기 위해 이더넷은 이제 자동차가 작동하는 동안 트위스트 쌍, 동축 케이블 또는 POF (Plastic Optical Fiber)를 차폐 케이블로 사용할 수 있습니다. 표준 이더넷 RJ45 커넥터 및 CAT5 케이블은 성능이 매우 강하며 많은 분야 (산업 분야 포함)에서 널리 사용됩니다.

그러나 기존의 공급 업체 별 커넥터 및 커넥터는 여전히 자동차 애플리케이션에서 (적어도 초기에) 사용될 수 있습니다. 앞으로 ISO 13400에 지정된 표준화 된 IP 진단 인터페이스를 점차적으로 채택 할 것입니다. 이더넷 Phy (Transceiver)는 성능을 크게 저하시키지 않고 이러한 커넥터와 케이블을 유연하게 사용할 수 있습니다. 아래 표 1에는 CAT5 케이블의 일반적인 특성이 나와 있습니다.

표준 캔 케이블은 차폐되지 않은 꼬인 쌍 Cat5 케이블과 유사한 특성을 가지고 있습니다. 테스트는 100m가 넘는 CAN 케이블을 통한 이더넷의 장기 오류가없는 전송의 타당성을 입증했습니다. 이 두 케이블의 주요 차이점은 CAN 케이블이 부분적으로 만 지정되어 있으며 제어 된 임피던스 또는 트위스트 속도를 제공하지 않는다는 것입니다. 이러한 방식으로 EMC 성능 및 신호 무결성은 보장 될 수 없으므로 케이블은 일반적으로 고속 데이터 전송에 적합하지 않습니다. CAN 케이블은 현재 이더넷 온보드 진단 시스템 (OBD) 및 플래시 메모리 업데이트에 사용됩니다. 이 케이블은 정상 운전 중에 비활성화 될 수 있으며 수리점이나 생산 공장에서만 활성화 될 수 있습니다.

고속 데이터 전송에 사용되는 케이블의 예 (예 : 자동차 애플리케이션의 LVD, USB 및 이더넷)에는 "레오니 케이블"이 포함됩니다. "레오니 케이블"은 차폐를 위해 제어 된 100ohm 임피던스를 사용하며 최대 1GBPS의 데이터 전송이 가능합니다. 성능 지수는 CAT5가 아닌 CAT6과 유사합니다. 실제로 꼬인 쌍은 아니지만 Stern-Vierer (별 꼬리 4 와이어로 번역)라는 4 가닥 와이어입니다.

제어 된 임피던스가 장착 된 최초의 자동차 해고 케이블은 Kroschu의 Flexray 케이블로, 가능한보다 EMC 성능과 신호 무결성을 향상시킬 수 있습니다. 트위스트 쌍 및 선미 비어러와 같은 케이블 유형이 있지만 표준 Flexray 케이블은 단일 트위스트 쌍을 나타냅니다. CAT5는 4 와이어 트위스트 쌍을 제공하며, 모두 기가비트 네트워크에 사용될 것이며, 100Mbps 빠른 이더넷은 그 중 2 개만 사용하면됩니다.

신뢰성을 향상시키기 위해 MindRay 반도체 LinkMD 및 기타 케이블 진단 기술은 이러한 문제를 해결하기 위해 이더넷 정의 표준을 초과하는 솔루션을 제공합니다. LinkMD Cable Diagnostic Technology는 시간 도메인 반사 계량법 (TDR)을 사용하여 개방 회로, 단락 및 임피던스 불일치와 같은 꼬인 쌍 케이블의 일반적인 문제를 분석합니다.

플라스틱 광섬유 (POF)는 전통적인 CAT5 구리 케이블의 대안입니다. 이 물리적 매체는 가장 많은 네트워크에 배치되었으며 오랫동안 자동차 제조업체에 알려져 왔습니다. 대부분의 대부분의 1mm LED POF 기술 (새로운 Most-150 포함)은 100 미터 범위에서 100Mbps 빠른 이더넷 전송에도 사용할 수 있습니다. POF는 성능이 강하고 중량이 강하며 다른 광 섬유와 마찬가지로 전자기 노이즈를 생성하지 않습니다 (방사선이 없기 때문에).

그러나 차폐 케이블 또는 POF를 사용하는 단점은 높은 비용입니다. 현재 연구 작업은 계속되고 있습니다. 우리는 차폐되지 않은 케이블을 사용하여 방사선 레벨 요구 사항을 달성하는 방법을 개발하기를 기대합니다 (최소한 빠른 이더넷을 충족). 제안 된 일부 방법에는 다른 변조 기술을 사용해야하며, 이는 독점적 인 "이더넷"을 생성 할 것입니다. 이것은 이더넷의 성공의 독특한 매력과 본질과 같은 것이 아닙니다 : 현장에서 입증, 상호 운용 가능한 개방 표준 및 저렴한 비용. 이러한 방법은 개방성 및 자유 액세스 요구 사항을 달성 할 필요가있을뿐만 아니라 많은 칩 공급 업체도 포함해야합니다. 이러한 방법이 성공할 것인지는 여전히 남아 있습니다.

이상적인 솔루션은 EMI 배출량을 줄이기 위해 표준 이더넷 Phy 장치의 성능을 향상시킬 수 있어야합니다. 이러한 개선은 다른 회로 보드 및 장치 기술과 결합하여 성공을위한 현실적인 기회, 특히 빠른 이더넷의 성공을 제공합니다.