為汽車(chē)應用選用有源以太網(wǎng)，無(wú)需增加系統成本

針對配套部署標準以太網(wǎng)和有源以太網(wǎng) (PoE) 的優(yōu)勢——主要由于利潤高于大部分使用此方法的部署——汽車(chē)市場(chǎng)提出了一項有趣的案例研究。汽車(chē)行業(yè)的變化可謂翻天覆地，消費者和政府對更安全的汽車(chē)的需求極大促進(jìn)了先進(jìn)駕駛輔助系統 (ADAS) 的應用。ADAS 特點(diǎn)日益發(fā)展為汽車(chē)的標準特點(diǎn)，比如，后視停車(chē)傳感器和攝像頭已經(jīng)相當普及。展望未來(lái)，這些系統將更加復雜，以日益精密的基于傳感器的防碰撞系統為例，該系統設計用于提供車(chē)道偏離、路標、交通信號燈和行人識別功能。

標準以太網(wǎng)可通過(guò)低成本的非屏蔽雙絞線(xiàn)提供高帶寬數據傳輸，事實(shí)證明，這個(gè)解決方案對 ADAS 應用極具吸引力。從歷史角度回顧技術(shù)發(fā)展可以發(fā)現，采用基于標準的解決方案已經(jīng)得到了充分理解，多個(gè)供應商服務(wù)多個(gè)市場(chǎng)，從而形成規模經(jīng)濟并最終提供最低的擁有成本。然而，采用根據大量補充性 IEEE 標準推出的標準以太網(wǎng)還另有其他的整體優(yōu)勢，而這一點(diǎn)卻常常受到忽略。有源以太網(wǎng) (PoE) 的使用就是其中一個(gè)例子。

那么它是如何運作的呢?從汽車(chē)制造商的角度而言，在汽車(chē)周?chē)砑佣鄠€(gè)攝像頭傳感器會(huì )增加布線(xiàn)內容，毫無(wú)意外，這是他們不想看到的結果。此外，位置較遠的汽車(chē)傳感器也需要沿著(zhù)數據接線(xiàn)傳輸電力。這通常導致每個(gè)傳感器均需使用額外的一對接線(xiàn)，從而遠程為各個(gè)設備供電。然而，IEEE 802.3af(標準)和 IEEE 802.3at(功率增大型)指定了根據數據在同一根線(xiàn)纜上配電的方式——采用該類(lèi)技術(shù)意味著(zhù)使用標準以太網(wǎng)接口的遠程傳感器設備有效消除了對額外電纜的需求。在這個(gè)例子中，不僅接線(xiàn)數量得到減少，利用標準PoE展現這一穩定技術(shù)的優(yōu)勢也令汽車(chē)應用受益——不增添額外的系統成本。

IEEE802.3af/at PoE運行的基本原理如圖 1 所示。這解釋了如何能夠在不增添額外系統成本的情況下得到執行。

圖 1. IEEE802.3af/at 有源以太網(wǎng);幻象供電法原理

如圖所示，PoE架構包含兩大要素。供電端設備 (PSE) 供應電力和受電端設備 (PD) 接受電力。專(zhuān)用的 PSE 控制器必須對 PD 進(jìn)行檢測和分類(lèi)，然后再分三個(gè)階段流程供電：發(fā)現：PSE 確認是否連接到有效且兼容的設備;分類(lèi)：PSE 核對 PD 的電力需求;運行：如果1 號和 2 號條件確實(shí)有效且 PSE 可以提供充足電力，PSE將啟用 VPSE電壓(介于 44V 到 57V 之間)。

作為“幻象供電”技術(shù)，PoE電壓 VPSE應用于標準 100BASE-TX 以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭。電流會(huì )沿著(zhù)兩條接線(xiàn)下流到 PD 端的以太網(wǎng)變壓器中心抽頭。每個(gè)繞組各承載一半電極相反的電流，因此，通過(guò)變壓器的總 DC 電流實(shí)際上應該為零。這種“幻象供電”法具備一個(gè)重要優(yōu)勢，即抑制 PD 端變壓器的共模噪聲，但這僅適用于 100BASE-TX 以太網(wǎng)接口。隨著(zhù)共模噪聲散入差動(dòng)以太網(wǎng)信號并被清除，PSE發(fā)出的噪聲或沿雙絞線(xiàn)電纜提取的噪聲將實(shí)現耦合。如果 RX 和 TX 接線(xiàn)對偶然交換，PD端需要使用橋式整流器啟用整流并以極性不敏感的方式發(fā)揮作用。

其他變壓器的中心抽頭會(huì )提供 PSE 的接地回路路徑，這將產(chǎn)生第二個(gè)重要優(yōu)勢，即 PD 和 PSE 接地的電流隔離。兩端的接地電位不同時(shí)，電流隔離的作用非常重要，能夠防止形成輻射接地回路——這種情況很可能對汽車(chē)意義重大。這種優(yōu)勢也是安裝100BASE-TX 以太網(wǎng)所獨有的。

幻象供電如何能夠為汽車(chē)應用優(yōu)化

對汽車(chē)應用運用此類(lèi) IEEE PoE方法時(shí)會(huì )產(chǎn)生相當大的優(yōu)化機會(huì )(圖 2)。

消除傳統的 PSE 控制器是主要差異。這可能是由于汽車(chē)應用的 PD 端為已知且固定，因此無(wú)需經(jīng)過(guò)發(fā)現和分類(lèi)階段。我們以后視攝像頭模塊及其機頭單元之間的接口為例。在這種情況下，相對昂貴的 PSE 控制器可以用低成本的 DC-DC 穩壓器代替，在電流過(guò)載故障情況下提供關(guān)閉保護。通過(guò)為汽車(chē)應用更加適合的較低PoE電壓VPSE，例如 12 V，PD 端也可以使用一個(gè)電壓較低(并且成本較低)的 DC-DC 穩壓器。需要注意的是，從 12V PoE運行時(shí)，每個(gè)端口可以獲得約 6W 的額定功率，如果需要額外功率，可以使用更高的PoE電壓(或增強的額定電流磁性)。另一個(gè)優(yōu)勢是，由于汽車(chē)接線(xiàn)也將固定，PD端也不再需要普通的橋式整流器。

圖 2.優(yōu)化機會(huì )使用“幻象供電”的 100Base-TX PoE 汽車(chē)

表 1.汽車(chē)PoE成本和性能優(yōu)勢

盡管經(jīng)過(guò)優(yōu)化且降低了最終成本，但由于采用“幻象供電”法，汽車(chē)應用的標準以太網(wǎng)PoE仍具備其他優(yōu)勢。特別是PD 端共模噪聲抑制和 PD / PSE 接地隔離，如表 1 所示。

可以明確的是，在汽車(chē)應用中，IEEEPoE已具備所有優(yōu)勢且無(wú)需任何額外成本。沒(méi)有額外的接線(xiàn)，并可以使用現有的標準以太網(wǎng)磁性元件和現有的標準電源管理。同樣地，汽車(chē)市場(chǎng)的價(jià)值定位也相當獨特——即它是貨真價(jià)實(shí)的“免費PoE”。