車(chē)載以太網(wǎng)的噪聲問(wèn)題如何應對？村田的完整方案來(lái)了~

作為支持ADAS的設備，各種傳感器和攝像頭已被逐漸配置于汽車(chē)中。攝像頭數據傳輸通常使用LVDS等接口，而傳輸LiDAR等傳感器的數據時(shí)，采用車(chē)載以太網(wǎng)的案例則正逐漸增多。

辦公用以太網(wǎng)采用了100Base-TX或1000Base-T標準，而用于汽車(chē)的以太網(wǎng)則規定使用100Base-T1或1000Base-T1標準（下圖）。

以太網(wǎng)等的車(chē)載接口采用了外部噪聲的影響較少或輻射較少的差動(dòng)傳輸信號。

外部噪聲通常會(huì )同時(shí)出現在兩條差動(dòng)傳輸信號線(xiàn)上，對其差分沒(méi)有影響，因此差動(dòng)傳輸信號線(xiàn)的抗外部噪聲能力較強。

針對外部噪聲

另外，成對的信號線(xiàn)相鄰，因此信號電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，具有不易向外部輻射噪聲的優(yōu)點(diǎn)。

針對噪聲輻射

差動(dòng)傳輸線(xiàn)雖然被認為不易產(chǎn)生噪聲，但卻會(huì )由于各種因素而產(chǎn)生共模電流，從而引發(fā)噪聲問(wèn)題（下圖）。

由于各種因素而產(chǎn)生共模電流

差動(dòng)傳輸線(xiàn)的特點(diǎn)原本是不產(chǎn)生共模噪聲，但如果兩條線(xiàn)的信號存在偏斜（時(shí)間偏差）或振幅偏差，則兩條線(xiàn)的信號均衡將被打破，從而產(chǎn)生共模噪聲（下圖）。

正常的差動(dòng)信號與存在偏斜時(shí)、有振幅偏差時(shí)的情況

差模：正常的差動(dòng)信號與存在偏斜時(shí)、有振幅偏差時(shí)的情況

共模：正常的差動(dòng)信號與存在偏斜時(shí)、有振幅偏差時(shí)的情況

用于以太網(wǎng)的電纜和HDMI、USB等的電纜之間有所區別。

與成對信號線(xiàn)不同，HDMI或USB等的電纜中備有GND線(xiàn)，因此即使產(chǎn)生共模電流，也會(huì )通過(guò)GND線(xiàn)返回，從而使共模電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，不易發(fā)生輻射。相反，以太網(wǎng)未配置GND線(xiàn)，因此共模電流通過(guò)對地雜散電容返回，從而具有易輻射的傾向。

HDMI、USB等的電纜

電纜中添加了GND線(xiàn)，因此可消除共模電流所產(chǎn)生的部分磁場(chǎng)。所以， 因共模電流而產(chǎn)生的輻射減少。

以太網(wǎng)的電纜

以太網(wǎng)的電纜中沒(méi)有GND線(xiàn)，因此無(wú)法消除共模電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因共模電流而產(chǎn)生的輻射增大，因此需要通過(guò)元件進(jìn)行靜噪。

車(chē)載以太網(wǎng)等的差動(dòng)傳輸靜噪措施中，共模扼流圈（CMCC）較為有效。 共模扼流圈將兩條線(xiàn)以相反方向纏繞在同一卷芯部上，對于差模電流，兩條線(xiàn)產(chǎn)生的磁通相互抵消，因此不影響差動(dòng)電流，而對于共模電流，兩條線(xiàn)產(chǎn)生的磁通則相互加強，所以可用作電感器。因此，共模扼流圈可在不影響差動(dòng)信號的基礎上有效降低共模噪聲。

以太網(wǎng)的電纜，可選擇性地僅消除共模噪聲。

在車(chē)載以太網(wǎng)方面，CMCC的均衡也很重要。如果構成CMCC的兩條線(xiàn)的線(xiàn)路長(cháng)度和繞線(xiàn)方式出現偏差，電流均衡將被打破，模式將發(fā)生轉換，從而可能產(chǎn)生共模噪聲。因此，應選用兩條線(xiàn)采用了均衡設計的CMCC。

用于車(chē)載以太網(wǎng)的CMCC的注意事項

如果兩個(gè)線(xiàn)圈之間的CMCC線(xiàn)路長(cháng)度等存在偏差，則可能因模式轉換而產(chǎn)生新的共模噪聲。 應選擇模式轉換較少的元件。

作為最適合1000Base-T1靜噪的CMCC，DLW32MH101XT2已被作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。該村田產(chǎn)品具有適用于1000Base-T1的阻抗值，并采用了不易發(fā)生模式轉換的均衡設計。

村田使用1000Base-T1 EMC評估板進(jìn)行了傳導發(fā)射測量（150Ω法）。

傳導發(fā)射測量

傳導發(fā)射測量條件如下表：

從1000Base-T1 EMC評估板的信號線(xiàn)中提取共模噪聲，用EMI接收機進(jìn)行測量。此次通過(guò) 更換CMCC進(jìn)行了噪聲比較 。

不同CMCC的降噪效果比較

用于評估的CMCC使用了1000Base-T1用產(chǎn)品DLW32MH101XT2，比較對象使用了100Base-T1用產(chǎn)品DLW43MH201XK2，CAN使用了產(chǎn)品DLW32SH101XK2。（注：減少傳導發(fā)射時(shí)所使用的CMCC中，DLW32SH101XK2已停止生產(chǎn)）。

對比元件的傳輸特性，包括：

• Sdd21（差模傳輸特性）

• Scc21（共模傳輸特性）

• Sdd11（差模反射特性）

• Ssd12（模式轉換特性）

傳導發(fā)射測量結果顯示，1000Base-T1用產(chǎn)品DLW32MH101XT2的噪聲抑制效果最為明顯，且滿(mǎn)足限值要求。而DLW43MH201XK2、DLW32SH101XK2則未能在滿(mǎn)足限值要求之前抑制噪聲。

傳導發(fā)射測量結果

噪聲抑制效果因CMCC而不同的原因，可能是受到CMCC模式轉換特性Ssd12的影響。Ssd12值較高時(shí)，輸入的差模信號轉換為共模噪聲的比例將增加，從而導致噪聲水平增高。

噪聲產(chǎn)生機制

Scc21在低頻段抑制共模噪聲的程度、Ssd12的模式轉換特性在高頻段減少共模轉換量的程度，將可能影響傳導發(fā)射測量結果。

降噪要點(diǎn)

通過(guò)評估CMCC，村田了解了進(jìn)行評估時(shí) 評估板設計的注意事項 。

將用于1000Base-T1的同一CMCC樣品貼裝到相同條件的評估板后，結果顯示二者噪聲水平有所不同，其中一個(gè)評估板變?yōu)镹G狀態(tài)。

即使是相同的CMCC樣品，也可能因評估板狀態(tài)而出現NG的情況。

評估板設計的注意事項

通過(guò)對評估板的傳輸線(xiàn)路特性進(jìn)行分析，發(fā)現CMCC輸出端的模式轉換特性有所不同，評估板#2的值較高（上圖）。

發(fā)生模式轉換的部分

傳導噪聲水平因評估板而異的原因在于，通過(guò)CMCC后的差模信號在評估板上轉換成了共模噪聲。

引發(fā)模式轉換的因素可能包括CMCC輸出端的電阻、電容器和電路板引線(xiàn)等，因其特性偏差而導致了不均衡現象的發(fā)生。

模式轉換發(fā)生機制

因此，對于CMCC以外的部分也應注意保持各條線(xiàn)的特性均衡。

可能引發(fā)模式轉換的因素

作為對比驗證，我們還測量了100Base-T1的傳導發(fā)射。

對100Base-T1進(jìn)行了相同的傳導發(fā)射測量后，發(fā)現用于CAN的DLW32SH101XK2超出限值，而100Base-T1用產(chǎn)品DLW43MH201XK2則能充分有效地抑制噪聲且滿(mǎn)足限值要求。

100Base-T1和1000Base-T1的傳導發(fā)射

村田使用與傳導發(fā)射相同的1000Base-T1 EMC評估板進(jìn)行了DPI（Direct Power Injection）試驗。

抗擾度（DPI）試驗對策

抗擾度(DPI)試驗測量條件如下表：

從外部向1000Base-T1 EMC評估板的信號線(xiàn)注入共模噪聲，在控制PC中確認了是否發(fā)生通信錯誤。

抗擾度（DPI）試驗對策

與傳導發(fā)射相同，該試驗使用了用于1000Base-T1的CMCC，即DLW32MH101XT2、用于100Base-T1的DLW43MH201XK2，以及用于CAN的DLW32SH101XK2進(jìn)行了評估。

對比元件的傳輸特性，包括：

• Sdd21（差模傳輸特性）

• Scc21（共模傳輸特性）

• Sdd11（差模反射特性）

• Ssd12（模式轉換特性）

1000Base-T1的DPI試驗結果：

在2MHz以下的低頻段中，雖然電平會(huì )因CMCC不同而產(chǎn)生差異，但除此之外的其他表現并無(wú)差異，滿(mǎn)足了所有限值。

1000Base-T1的DPI試驗結果

在2MHz以下頻段，因CMCC而出現的不同可能取決于Scc21因素。因模式轉換特性而產(chǎn)生的差異并未影響DPI試驗。

1000Base-T1的DPI試驗結果

繼1000Base-T1之后，在100Base-T1下進(jìn)行的DPI試驗結果(下圖)顯示，用于100Base-T1的CMCC滿(mǎn)足限值要求，而使用用于CAN的CMCC時(shí)，不僅在1MHz以下低頻段的表現遜色于用于100Base-T1的CMCC，且在8～60MHz范圍內還低于限值，結果為NG。

100Base-T1的DPI試驗結果

在2MHz以下頻段的不同可能取決于Scc21因素。此外，在8～60MHz頻段的不同則可能取決于模式轉換特性。

100Base-T1的DPI試驗結果

在100Base-T1下，CMCC的模式轉換特性對試驗結果產(chǎn)生了影響，其原因可能在于從外部注入的共模噪聲轉換為差模噪聲，使信號波形失真，進(jìn)而引發(fā)通信錯誤。

噪聲侵入機制

與傳導發(fā)射相同，除CMCC以外，因評估板上不均衡的設計而發(fā)生的模式轉換也會(huì )產(chǎn)生影響，因此進(jìn)行評估板設計時(shí)需要加以注意?？赡芤l(fā)模式轉換的因素示例見(jiàn)下圖：

評估板設計的注意事項