作者：Bruce Jiang

引言

電氣和自動(dòng)駕駛結(jié)構(gòu)大大推動(dòng)了布線系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。問題包括電磁干擾、電磁敏感性和重量減輕。此外，汽車應(yīng)用、使用和安全要求還大大提高了必要的網(wǎng)絡(luò)速度。汽車中新的48伏電氣結(jié)構(gòu)還推動(dòng)了跨域隔離要求的范圍。通信速率超過100 Mb/s的銅線鏈路需要較重和昂貴的解決方案才能符合嚴(yán)格的OEM EMC規(guī)范，導(dǎo)致成本高昂，工程非常困難。此外，所需電纜直徑不斷增大的重量與電動(dòng)動(dòng)力總成的續(xù)航距離之間存在矛盾。 ? 光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)克服了這些趨勢(shì)，得益于其固有的靜電隔離、魯棒性、低成本和低重量。 汽車制造商可以利用光纖鏈路在48V和12V域之間進(jìn)行通信。就重量而言，光網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)省相當(dāng)于銅線線束的30％以上重量。光以太網(wǎng)提供了100 Mb/s和1 Gb/s的網(wǎng)絡(luò)解決方案，而多千兆以太網(wǎng)是車載網(wǎng)絡(luò)的重大突破。作為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3的修正案，光學(xué)多千兆以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)在IEEE開始。 ? ? ?

?低重量和堅(jiān)固性

POF光纖是最可靠的解決方案：塑料光纖可以承受惡劣的環(huán)境、振動(dòng)、錯(cuò)位、污染、濕度、寬溫度范圍等。此外，POF允許快速動(dòng)態(tài)彎曲、緊靜態(tài)彎曲和浸泡在液體中。另外，光纖以太網(wǎng)產(chǎn)生非常低的噪聲，可以在嘈雜的環(huán)境中運(yùn)行，例如在射頻電子板中。有了光纖和銅線并行，光網(wǎng)絡(luò)提供ASIL-D安全架構(gòu)，ASIL-D=ASIL-B+ASIL-B。 ?

? 關(guān)于重量，光纖也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。與屏蔽雙絞線（STP）相比，塑料光纖可將重量減少30％以上：POF重量為10g/m，直徑為2 x 2.3mm。相比之下，JTP銅線為13g/m，STP銅線總計(jì)為25 g/m，直徑為5mm。 ?

電磁兼容性

光學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)具有其固有的電磁兼容性（EMC），是完全電力或混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的最佳技術(shù)選擇。光纖通信在電磁干擾（EMI）和電磁敏感性（EMS）方面具有出色的性能。由于POF本身具有電隔離功能，POF對(duì)電磁場(chǎng)具有天然的免疫性和穩(wěn)定性。在許多用例中，可以使用光纖網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決由混合動(dòng)力車輛（HEV）和電動(dòng)車輛（EV）動(dòng)力總成中的EMI / EMS或缺乏銅基網(wǎng)絡(luò)的潛在隔離所引起的問題。 ? 京都大學(xué)工程研究生院的論文《脈沖干擾對(duì)1000BASE-T1通信質(zhì)量下降的實(shí)驗(yàn)調(diào)查》中，對(duì)1000BASE-T1的通信質(zhì)量與干擾的脈沖寬度之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)查。由于共模反射和模式轉(zhuǎn)換，F(xiàn)ER（幀誤碼率）在特定脈沖寬度下增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。他們得出結(jié)論，具有急劇變化的脈沖干擾會(huì)顯著降低通信質(zhì)量 ? “100Base-T1通信線對(duì)耦合快速開關(guān)高壓脈沖的易感性”研究了高壓（HV）系統(tǒng)與100Base-T1雙絞線以太網(wǎng)通信之間的耦合效應(yīng)以及脈沖干擾對(duì)通信性能的影響。由于電池電壓高達(dá)850V，再加上逆變器的更快開關(guān)時(shí)間，HV系統(tǒng)的干擾潛力可能足以對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生性能降低的影響。由于電容耦合夾（CCC）脈沖的振幅和帶限功率（限制在66.6 MHz）的減少，從200V振幅脈沖開始，數(shù)據(jù)速率就會(huì)減少。大于400V的脈沖會(huì)將數(shù)據(jù)速率降低到20％。 ?

混合/純電動(dòng)力系統(tǒng)中的噪聲傳播

混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成需要安裝在車輛各處的多個(gè)電子控制單元（ECU）。這些ECU調(diào)節(jié)和控制電池、變流器和電機(jī)/發(fā)電機(jī)之間的電能流動(dòng)。能量流動(dòng)和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電器噪聲，這將影響車輛的其他部分，如現(xiàn)在的信息娛樂或?qū)Ш较到y(tǒng)，以后的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。通過光學(xué)連接ECU，可以將每個(gè)噪聲限制在產(chǎn)生它的ECU中，避免其傳播到整個(gè)車輛上分散的其他ECU。用基于銅的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)類似的隔離是非常困難和昂貴的，這意味著更長(zhǎng)的工程開發(fā)周期，更昂貴和復(fù)雜的ECU，這可能反過來(lái)意味著較低的可靠性。 ?

? 德國(guó)多特蒙德EMC測(cè)試有限公司在論文《HV電池電纜的排放對(duì)汽車應(yīng)用中雙線以太網(wǎng)通信的信號(hào)完整性的影響》中研究了HV牽引系統(tǒng)與100Base-T1通信之間的耦合。逆變器的電壓接近400V的極限。在時(shí)域中測(cè)量的差分模式下的PHY端口電壓有達(dá)到2V的峰值。這表明UTP電纜很容易受到由這些高壓（HV）牽引系統(tǒng)和通信信道之間的EMC耦合引起的電磁干擾。 ? 另一項(xiàng)研究考察了“高效功率電子對(duì)具有自動(dòng)駕駛功能的電動(dòng)汽車的EMC影響”。為了提高電動(dòng)汽車的能效，使用了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體。與目前部署的硅半導(dǎo)體（120 ns）相比，這些半導(dǎo)體可以更快地切換電池電壓（4 ns）。另一種提高效率的方法是增加電池電壓，這可以減少牽引系統(tǒng)中的電流損耗。由于這兩種方法，汽車的高壓（HV）部件的電磁輻射顯著增加。 ?

電池管理系統(tǒng)中的隔離

電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車中的推進(jìn)電池被分組控制，由電池管理系統(tǒng)（BMS）控制。盡管在電池集群和控制模塊之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很高（通常低于100 Mb/s），但BMS控制模塊與各個(gè)電池集群之間的通信至關(guān)重要，并且需要非?？煽?。這些BMS鏈接對(duì)于避免電池?fù)p壞至關(guān)重要，并且在緊急情況下（如崩潰或火災(zāi)）也必須適用。BMS控制模塊和電池簇之間的光纖鏈路是確保所需的高可靠性的最佳方式?；阢~的通信會(huì)產(chǎn)生寄生回路，在緊急事件發(fā)生時(shí)，可能會(huì)給司機(jī)和乘客帶來(lái)危險(xiǎn)的情況。 ?

傳統(tǒng)的BMS架構(gòu) ? 對(duì)于電池單元的感測(cè)和監(jiān)控，無(wú)線通信是理想的，可以與光以太網(wǎng)鏈路共存，以連接高壓和低壓ECU。 ? 無(wú)線監(jiān)測(cè)的好處包括鏈路可靠性，因?yàn)殒溌范潭以诟邏涸O(shè)備內(nèi)部。定期監(jiān)測(cè)信息不是關(guān)鍵的，因?yàn)樗沁B續(xù)采樣的。此外，線路復(fù)雜性降低。它還允許在以前不適合安裝接線管的位置安裝傳感器。此外，尺寸、重量和成本最小化。 ? 與隔離的CAN總線相比，光纖以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)包括在非常嘈雜的環(huán)境中，如具有高電壓和非常低開關(guān)時(shí)間的電力電子設(shè)備，具有更高的電磁兼容性。因其固有的接地隔離，可以保證安全性。由于電池組可以分布在較大的車輛區(qū)域，因此工程簡(jiǎn)單易行。以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)解決方案。將所有ECU集成到同一網(wǎng)絡(luò)中，并與BMS系統(tǒng)的其他ECU一起，可以提高系統(tǒng)在整個(gè)汽車架構(gòu)中的集成度，從而降低成本。 ?

新的BMS架構(gòu)結(jié)合了兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì) ?

48V跳躍式啟動(dòng)寄生高能脈沖

基于48V的能源網(wǎng)絡(luò)或混合12-48V拓?fù)鋵⒗^續(xù)成為HEV和插入式混合動(dòng)力汽車（PHEV）動(dòng)力總成的主流。高低壓ECU一起連接到汽車底盤的電氣地線，在動(dòng)力系統(tǒng)中不斷發(fā)生的啟動(dòng)事件上產(chǎn)生問題。例如，信息娛樂系統(tǒng)與能源生成和控制系統(tǒng)共享電氣接地。在啟動(dòng)時(shí)，通過連接到相同電氣接地的車輛底盤的電纜屏蔽，可以測(cè)量到高于8安培的電流，銅纜屏蔽為不同ECU的電流提供了一個(gè)平行的返回路徑。據(jù)歐洲一家主要汽車制造商報(bào)告，如果低壓系統(tǒng)（如信息娛樂系統(tǒng)或ADAS）之間的通信鏈路是光學(xué)的，那么本地的靜電隔離將使它們與高壓/高能系統(tǒng)及其相關(guān)事件隔離，從而保護(hù)其可靠性。? ?

?48/12V系統(tǒng)的故障保護(hù)

在48/12V混合能源系統(tǒng)中，48V用于“饑餓”的電子模塊，如啟動(dòng)器、發(fā)電機(jī)或電池模塊，而12V則專用于更“精致”的電子模塊，如信息娛樂或ADAS處理單元。兩個(gè)域共享相同的接地系統(tǒng)，即汽車底盤。48V 域的ECU采用適合這種電壓設(shè)計(jì)的電子元件，這些元件通常額定電壓超過70伏。12V ECU采用的電子元件可支持高達(dá)60V的電壓。如果48V ECU中發(fā)生接地丟失事件，并且48V和12V域之間存在非靜電隔離的連接，則兩個(gè)域之間將存在電路。這將使12V ECU及其元件承受超出其額定電壓的電壓，從而導(dǎo)致故障或降低其使用壽命。 ?

符合EMC要求

EMC認(rèn)證是Tier1和OEM驗(yàn)證平臺(tái)的關(guān)鍵步驟之一。通信速率高于100 Mb/s的銅線需要復(fù)雜昂貴的解決方案才能符合嚴(yán)格的OEM EMC規(guī)范：高質(zhì)量屏蔽、受控對(duì)絞、復(fù)雜的直接連接器等。光端口可以更容易地通過EMI和EMS。這直接影響了線束和連接器的成本，更不用說(shuō)分配給開發(fā)和調(diào)試階段的工程資源了。 ? ?

標(biāo)準(zhǔn)化和合規(guī)性

IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn) IEEE Std 802.3bv是IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的修正案，IEEE Std 802.3bv for gigabit Ethernet over POF 定義了利用POF的汽車、工業(yè)和家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用物理層規(guī)范和管理參數(shù)。KDPOF技術(shù)完全滿足新的IEEE修正案的條件，為汽車應(yīng)用提供可靠和經(jīng)過驗(yàn)證的解決方案。KD1053收發(fā)器完全滿足汽車制造商的要求，提供高度連接性、靈活的數(shù)字主機(jī)接口、低延遲、低抖動(dòng)和低連接時(shí)間。該收發(fā)器經(jīng)過優(yōu)化，具有低功耗和小體積，可按照1000BASE-RH（IEEE 802.3bv）標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)SI-POF、MC-POF或PCS上傳輸數(shù)據(jù)，速率為1000/100 Mb/s。 ?

ISO 21111

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）通過補(bǔ)充部分ISO 21111-3:2020和ISO 21111-5:2020，為通過POF技術(shù)實(shí)現(xiàn)每秒1Gigabit可靠車載數(shù)據(jù)傳輸指定了進(jìn)一步的特性。ISO 21111-3:2020指定了除IEEE 802.3bv之外的其他特性，如喚醒和同步鏈路睡眠算法。它還包含實(shí)現(xiàn)此標(biāo)準(zhǔn)的IC供應(yīng)商的一致性測(cè)試計(jì)劃。 ? ISO 21111-5:2020指定了系統(tǒng)級(jí)別的要求以及實(shí)現(xiàn)ISO 21111-3中指定的光學(xué)1 Gb/s物理層的ECU供應(yīng)商的完整符合性和互操作性測(cè)試計(jì)劃?；谶@些標(biāo)準(zhǔn)，KDPOF的光學(xué)技術(shù)可以為汽車制造商和Tier1提供完整、兼容和互操作的實(shí)現(xiàn)。 ?

參考設(shè)計(jì)

KDPOF提供了一個(gè)參考設(shè)計(jì)板，用于1000BASE-H和100BASE-H的符合性實(shí)施。它作為Tier1如何將物理層集成到ECU中的指南。除了解決元件選擇（時(shí)鐘、PMIC、Cs、Rs、Ls、濾波器）外，該板還建立了電源分配網(wǎng)絡(luò)（去耦、濾波、穩(wěn)定性）和信號(hào)完整性。該板實(shí)現(xiàn)了喚醒功能，以及支持多種接口（MII、RMII、RGMII、SGMII），該板實(shí)現(xiàn)了符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的喚醒和睡眠功能。其他特點(diǎn)包括PCB堆疊和布局、技術(shù)評(píng)估車和全溫度范圍。 ?

降低成本

作為一種大直徑的塑料光纖，POF的制造和安裝更具成本效益：安裝只需要簡(jiǎn)單的插拔；纏繞和夾緊類似于銅線纜。此外，在汽車裝配過程中，光纖線束可以與銅線束一起安裝。POF已經(jīng)在汽車上使用了10多年，并已安裝在數(shù)百萬(wàn)輛汽車上。 ? KDPOF正在開發(fā)新的集成設(shè)備以進(jìn)一步降低成本。集成的光纖收發(fā)器（FOT）KD9351是第一款用于光學(xué)車載連接的設(shè)備，它將收發(fā)器IC、光電子器件和光學(xué)器件集成在一起。集成的FOT是一個(gè)單一組件，從100 Mb/s到1 Gb/s的光學(xué)端口，成本和體積都有所降低，可用于汽車以太網(wǎng)連接。減少部件數(shù)量也減少了測(cè)試和資格的工作量。因此，與STP相比，總體費(fèi)用大大降低。此外，更多的優(yōu)勢(shì)是供應(yīng)鏈中鏈接之間的沒有余量堆疊和供應(yīng)鏈的簡(jiǎn)化。因此，它為EMC關(guān)鍵或?qū)щ姼綦x關(guān)鍵鏈路提供了有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。KD9351提供了一種完整的新FOT設(shè)計(jì)。它重用低成本的MEMS封裝，允許使用8×7mm LGA元件進(jìn)行SMD熱流道焊接。FOT完全屏蔽電磁輻射。光纖連接是通過放置在頂部的簡(jiǎn)單塑料連接器完成的。溫度范圍從-40°C到105°C，符合嚴(yán)苛的汽車環(huán)境要求。具有V2級(jí)的振動(dòng)類別，可承受電機(jī)條件。此外，該設(shè)備還可以在不密封的情況下承受水。即使ECU屏蔽殼被移除，EMC性能也很好，因?yàn)槠帘问羌傻絇CB元件中的。FOT和IC在PCB上的裝配簡(jiǎn)化了。光學(xué)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射和接收鏡頭。FOT設(shè)計(jì)用于廣泛的應(yīng)用，如車載網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)和消費(fèi)電子產(chǎn)品。 ?

光學(xué)多千兆以太網(wǎng)

隨著電動(dòng)汽車、自動(dòng)駕駛和V2X互聯(lián)等技術(shù)飛躍的出現(xiàn)，汽車應(yīng)用、使用和安全要求極大地提高了必要的網(wǎng)絡(luò)速度。因此，車載網(wǎng)絡(luò)正處于每秒一到多千兆位的速度邊緣。汽車中的光多千兆以太網(wǎng)即將被標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)施。在IEEE 802.3工作組的批準(zhǔn)下，一個(gè)由來(lái)自15家主要汽車制造商和部件供應(yīng)商組成的團(tuán)隊(duì)，在業(yè)界的大力支持下，開始了IEEE 802.3汽車光多千兆標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。 ?

? ? 工作小組于2019年夏天啟動(dòng)。2021年底推出了第一批原型。研究小組正在評(píng)估為汽車行業(yè)創(chuàng)建IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，速度從2.5 Gb/s開始，最高可達(dá)25或50 Gb/s。它將利用現(xiàn)有的10GBASE-SR（IEEE用于工業(yè)用途的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)）獲得適用于嚴(yán)格汽車要求的新技術(shù)。 ? 新標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵發(fā)展目標(biāo)是超強(qiáng)的性能。速率高將達(dá)每條線路50 Gb/s，并可擴(kuò)展到100 Gb/s多條線路。溫度范圍從-40°C到125°C。汽車距離為15米，4個(gè)線束內(nèi)連接件。公共汽車和卡車距離為40米，4個(gè)線束內(nèi)連接件，25 Gb/s。并滿足OEM的可靠性要求，故障率低于10 FIT（1個(gè)FIT等于每1000個(gè)設(shè)備運(yùn)行100萬(wàn)小時(shí)出現(xiàn)一次故障)。 ? 通過簡(jiǎn)單的調(diào)制，復(fù)雜度保持在較低水平。對(duì)于光纖，選擇OM3等級(jí)，因?yàn)樗呀?jīng)被數(shù)據(jù)中心和航空電子設(shè)備廣泛使用。只有廣泛使用的光源才會(huì)被選擇。為了實(shí)現(xiàn)成本效益，定義了兩種連接器等級(jí)。關(guān)于拓?fù)洌瑥囊婚_始就考慮了不對(duì)稱的上行和下行鏈路。使用節(jié)能以太網(wǎng)（EEE）規(guī)范是實(shí)現(xiàn)這一特性的合適候選。攝像頭、顯示器和其他不對(duì)稱的用例已被納入標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試案例。

一個(gè)OAM側(cè)信道將用于可靠性和鏈路管理。沒有重傳意味著視頻分發(fā)的受控延遲。對(duì)稱鏈路將被添加用于骨干通信。 隨著成本的降低和一致性的關(guān)注，已經(jīng)為nGBASE-SR開發(fā)的光學(xué)、光纖、連接器和電子元件將被重復(fù)使用。其他規(guī)格包括850nm VCSEL、多模OM3光纖、PAM2接收器和連接器。標(biāo)準(zhǔn)化工作著重于汽車要求：VCSEL的可靠性以及操作溫度范圍，質(zhì)量等級(jí)的連接器開發(fā)，以及一個(gè)自適應(yīng)的DSP來(lái)應(yīng)對(duì)VCSEL的大參數(shù)偏差。提高產(chǎn)出率可以降低成本。 ?

展望

光學(xué)解決方案在使用多千兆速率的車載連接應(yīng)用中的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，包括由于固有的電氣隔離而帶來(lái)的電磁兼容性（EMC）、低重量和低成本等。來(lái)自歐洲和美國(guó)不同汽車制造商的相關(guān)應(yīng)用案例結(jié)合了光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全面特性和優(yōu)勢(shì)。全球主要的光電子、連接器和線束供應(yīng)商已經(jīng)準(zhǔn)備好，并且提供了一個(gè)充足且具有競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)，提供車載多千兆所需的所有新組件：物理層（PHY）、光纖收發(fā)器（FOT）、光纖、連接器和光源。該技術(shù)將具有可擴(kuò)展性，以便在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。通過在新標(biāo)準(zhǔn)的所有領(lǐng)域進(jìn)行優(yōu)化，可以在所有部件（CMOS IC、VCSEL、PD、接頭、套管、電纜、直接連接技術(shù)、光學(xué)和鏡頭等）之間實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性和成本的最佳平衡，以便為汽車市場(chǎng)提供最低成本、最可靠、最具可擴(kuò)展性的解決方案。 ?

編輯：黃飛

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