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引言
# R/ N- c1 y: f; z5 d: k隨著汽車行業(yè)向電動和混合動力推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)型,車輛電氣系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)面臨新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的基于銅纜的網(wǎng)絡(luò)在這些新的高壓環(huán)境中面臨電磁兼容性、電氣隔離和可靠性方面的限制。光學(xué)網(wǎng)絡(luò),特別是使用塑料光纖(POF)的網(wǎng)絡(luò),提供了理想的解決方案,可以克服這些挑戰(zhàn),并為下一代車輛實現(xiàn)穩(wěn)健的高速通信[1]。 y: b k* w& K T" E- u* z
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圖1:車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進' q% E9 I; U" Y- y3 u
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圖2:Multi-Gigabit車內(nèi)光互連的場景
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' b* k) y5 ? O4 O. I8 k* c0 r0 X1 g光學(xué)汽車以太網(wǎng)的優(yōu)勢光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為汽車應(yīng)用提供了幾個關(guān)鍵優(yōu)勢:電磁兼容性(emc):POF天生對電磁干擾免疫,且不產(chǎn)生電磁輻射。這使其非常適合在電動推進系統(tǒng)等電氣噪聲較大的環(huán)境中使用。電氣隔離:光鏈路在連接的系統(tǒng)之間提供完全的電氣隔離。這對于新的48V和高壓電氣架構(gòu)的安全性非常重要。可靠性:POF電纜能夠承受惡劣的汽車環(huán)境條件,包括振動、極端溫度、彎曲和暴露于液體中。安裝簡便:大直徑塑料光纖比屏蔽銅纜更靈活,安裝更容易。成本效益:與屏蔽高速銅纜替代品相比,POF及相關(guān)光學(xué)組件的制造和安裝成本具有競爭力。高帶寬:光鏈路可以支持從100 Mbps到10+ Gbps的數(shù)據(jù)速率,使用相同的電纜和連接器類型。
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! I% a& O0 Y2 O, D- z2 [9 V) q圖3:電動/混合動力推進系統(tǒng)光連接優(yōu)勢示意圖。圖像展示了使用POF鏈路在高壓和低壓域之間實現(xiàn)電氣隔離。
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. P- C, \/ P5 H* @8 g' q9 W$ f車用光學(xué)以太網(wǎng)的應(yīng)用場景以下幾個關(guān)鍵應(yīng)用場景展示了光學(xué)網(wǎng)絡(luò)在電動和混合動力車輛中的優(yōu)勢:推進系統(tǒng)噪聲隔離電動和混合動力推進系統(tǒng)包含多個分布在車輛各處的高功率電子控制單元(ECU)。這些ECU在控制電池、轉(zhuǎn)換器和電動機/發(fā)電機之間的功率流動時會產(chǎn)生顯著的電氣噪聲。5 ` @( H+ @5 F3 k( j6 ^( e |7 q9 g; D
使用光學(xué)連接在ECU之間可以將這種噪聲限制在每個單獨的模塊內(nèi),防止其傳播到車輛的整個電氣系統(tǒng)。這保護了信息娛樂和高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)等敏感系統(tǒng)免受電磁干擾。0 ~( g# s; D7 O* c. M6 q4 b
嘗試用銅纜實現(xiàn)類似的噪聲隔離需要復(fù)雜和昂貴的屏蔽、濾波器和設(shè)計技術(shù)。光鏈路以更低的成本和復(fù)雜度提供了更優(yōu)越的性能。
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圖4:簡化的混合動力推進系統(tǒng)架構(gòu),展示了光鏈路如何隔離高壓組件之間的噪聲。
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電池管理系統(tǒng)電動車輛的電池組被分成多個集群進行監(jiān)控和控制。電池管理系統(tǒng)(BMS)需要與每個集群可靠地通信,以收集有關(guān)電池溫度、充電狀態(tài)等數(shù)據(jù)。
- i5 v+ e4 ]: ^8 Y中央BMS控制器和單個電池集群之間的光鏈路提供了幾個重要優(yōu)勢:高壓電池集群之間的固有電氣隔離消除可能在碰撞或火災(zāi)期間造成危險的接地環(huán)路在電氣噪聲較大的電池環(huán)境中具有高噪聲抗擾度減少傳導(dǎo)和輻射排放[/ol]9 H! W" ^# O5 m) ~- X
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圖5:電池組架構(gòu)圖,展示了光鏈路如何在電池監(jiān)控集群和中央BMS控制器之間提供隔離。
* g9 |% {' {% a" d; |7 t9 |4 S7 K48V跳線啟動保護許多混合動力車輛正在轉(zhuǎn)向48V電氣系統(tǒng),以支持更高功率的電氣部件。然而,這在從48V系統(tǒng)跳線啟動12V系統(tǒng)時會造成挑戰(zhàn)。
0 `1 C, ?5 E+ x, d, _# ~5 g5 j; C跳線啟動期間的高電流可能在底盤接地和電纜屏蔽中引起電壓尖峰。如果信息娛樂或ADAS系統(tǒng)使用銅網(wǎng)絡(luò)鏈路,這些尖峰可能會耦合到數(shù)據(jù)線上,并可能損壞敏感的電子設(shè)備。
6 t* c% Z ~5 |$ y, k為這些系統(tǒng)使用光鏈路提供了電氣隔離,可以防止跳線啟動事件期間的感應(yīng)電壓和電流。
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9 [! f0 w+ w% i. o2 M圖6:圖解展示了48V跳線啟動電流如何在銅數(shù)據(jù)鏈路中引起破壞性電壓。光鏈路可以防止這個問題。2 R x. g. D0 l6 _6 D# i
電壓域之間的故障保護混合動力推進系統(tǒng)混合了共用底盤接地的48V和12V電氣域。48V域使用額定電壓更高的組件(70V+),而12V系統(tǒng)通常使用額定電壓高達60V的部件。" ]- b7 C7 ]8 q8 `
如果48V系統(tǒng)發(fā)生接地故障,可能會通過銅網(wǎng)絡(luò)連接使12V組件暴露在破壞性過電壓下。光鏈路提供電氣隔離,以在48V故障情況下保護12V系統(tǒng)。
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" n1 _7 ^6 n. H2 @/ `! h圖7:圖解展示了光鏈路如何防止48V故障損壞12V系統(tǒng),而銅連接無法做到這一點。
- u9 r8 f9 A2 F/ @! L$ @: @EMC合規(guī)實現(xiàn)電磁兼容性(EMC)是汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計中一個關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的方面。工作在100 Mbps以上的銅鏈路需要廣泛的屏蔽、受控阻抗和復(fù)雜的連接器,才能滿足嚴(yán)格的汽車EMC要求。
" F/ e% F# L9 k0 c9 F& @( m+ V光端口在不需要復(fù)雜屏蔽的情況下,固有地具有出色的EMI和EMS性能。這簡化了線束設(shè)計,降低了連接器成本,并簡化了車輛平臺的EMC認(rèn)證過程。
9 Y- K- I0 X1 F. ^千兆光學(xué)汽車以太網(wǎng)技術(shù)為了實現(xiàn)這些光學(xué)汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,已經(jīng)開發(fā)了新的物理層技術(shù),以支持塑料光纖上的千兆以太網(wǎng)。該技術(shù)的關(guān)鍵方面包括:物理層實現(xiàn)汽車用千兆光學(xué)以太網(wǎng)使用16級脈沖幅度調(diào)制(PAM16)通過POF傳輸數(shù)據(jù)。關(guān)鍵的信號處理技術(shù)實現(xiàn)了可靠的通信:多級余集編碼用于前向糾錯Tomlinson-Harashima預(yù)編碼用于信道均衡自適應(yīng)均衡以補償信道變化6 q: B9 L" H) W6 Q
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B, W! k. f# ` F3 i( y1 c: V圖8:千兆光學(xué)以太網(wǎng)發(fā)送器信號鏈的框圖。' Z+ N( |0 O3 O# v
幀結(jié)構(gòu)物理層使用自定義幀結(jié)構(gòu)以支持可靠通信:有效載荷數(shù)據(jù)分為28個碼字塊用于同步和定時恢復(fù)的訓(xùn)練序列分布在幀中的導(dǎo)頻序列用于自適應(yīng)均衡物理頭用于鏈路啟動、參數(shù)協(xié)商和解封裝同步
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- S! l" ~$ M4 m' k+ c3 o圖9:千兆光學(xué)以太網(wǎng)使用的幀結(jié)構(gòu)圖,包括有效載荷、導(dǎo)頻和頭。
4 F0 e% Q* u7 y: ~ N3 T關(guān)鍵性能特征汽車應(yīng)用的千兆光學(xué)以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了:100 Mbps或1 Gbps的數(shù)據(jù)速率誤碼率-121 Gbps時延遲鏈路建立時間工作溫度范圍為-40°C至+105°C1 Gbps時功耗
, K6 O$ b( s M y }光收發(fā)器專門設(shè)計的光收發(fā)器在電信號和光信號之間進行轉(zhuǎn)換:帶線性驅(qū)動器的LED發(fā)射器,用于PAM16信號帶線性跨阻放大器的光電二極管接收器針對成本和汽車環(huán)境要求進行了優(yōu)化重復(fù)使用現(xiàn)有100 Mbps POF系統(tǒng)的LED和光電二極管
8 ?0 N3 T+ C0 X5 B; B標(biāo)準(zhǔn)和合規(guī)性汽車用千兆光學(xué)以太網(wǎng)在以下標(biāo)準(zhǔn)下進行了標(biāo)準(zhǔn)化:IEEE 802.3bv for 1000BASE-RH PHYVDE 0885-763定義完整系統(tǒng)規(guī)格ISO 21111指定汽車特定功能
: V* _( C- P1 F& O$ t$ ~- n! C* v. }設(shè)備符合AEC-Q100 Grade 2汽車應(yīng)用認(rèn)證。3 x3 l `4 _6 {; ]" I3 M
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) D" C# l$ J) {3 ~' d圖10:IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)制定的歷程。
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! t) a/ W; R7 P* z0 { R圖11:Multi-gigabit 的標(biāo)準(zhǔn),包含ISO PWI24581及IEEE P802.3cz。
. N" [- B& { A" z4 y光學(xué)車用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)光學(xué)以太網(wǎng)為下一代車輛實現(xiàn)了靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu):分區(qū)架構(gòu)高帶寬光鏈路允許轉(zhuǎn)向分區(qū)電氣/電子架構(gòu):集中式高性能計算(HPC)單元聚合本地傳感器/執(zhí)行器的分區(qū)網(wǎng)關(guān)連接區(qū)域和HPC的光學(xué)以太網(wǎng)主干
: M" f$ s. x: T% W# f與傳統(tǒng)的基于域的架構(gòu)相比,這降低了整體網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和電纜重量。
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) i3 S3 B& y* m7 V7 H: b圖12:比較傳統(tǒng)的基于域的架構(gòu)和由光學(xué)以太網(wǎng)主干實現(xiàn)的新分區(qū)架構(gòu)的圖表。5 ` R* {1 f, t$ \" u9 z) u
傳感器連接光學(xué)以太網(wǎng)支持高帶寬傳感器的直接連接:ADAS/自動駕駛用攝像頭(1-10 Gbps)雷達模塊(1-10 Gbps)激光雷達傳感器(1-10+ Gbps)
: O* G8 L- ~( v: C8 v M光鏈路為這些對噪聲敏感、高數(shù)據(jù)速率的連接提供EMI抗擾性和減少的電纜重量。0 K3 X/ ~0 b" |( a& ^
冗余安全網(wǎng)絡(luò)光鏈路固有的電氣隔離和EMI抗擾性使功能安全冗余網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)變得簡單:重復(fù)的光鏈路提供冗余主備之間沒有共模故障風(fēng)險實現(xiàn)ASIL-D評級:ASIL-B + ASIL-B
1 r! V8 g; d$ w9 _$ ?' f- k/ F智能天線連接光鏈路非常適合連接智能天線模塊:高帶寬用于4G/5G蜂窩、V2X、GPS等出色的EMI性能保護天線靈敏度長距離傳輸支持天線放置' T+ `$ `+ F* ?; S: f- C9 E- t8 ^
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; g4 b3 K+ N' `圖13:智能天線。
- O+ T7 \% U: ?4 G8 J/ q k8 {光銅混合網(wǎng)絡(luò)雖然光鏈路在許多應(yīng)用中表現(xiàn)出色,但銅纜在某些領(lǐng)域仍有優(yōu)勢。混合光銅網(wǎng)絡(luò)利用了各自的優(yōu)勢:光學(xué)主干和高速傳感器鏈路銅纜用于短距離、低速連接光學(xué)用于跨越電壓域
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圖14:展示同時使用光學(xué)和銅鏈路的混合網(wǎng)絡(luò)圖。
% Z7 o0 z$ @1 n; m1 H9 O未來發(fā)展光學(xué)汽車以太網(wǎng)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展,以滿足未來車輛網(wǎng)絡(luò)需求。
- R+ I6 K& l+ P- R0 b多千兆速度正在進行多千兆光學(xué)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的汽車應(yīng)用開發(fā)工作:IEEE 802.3cz任務(wù)組正在開發(fā)2.5/5/10 Gbps規(guī)范重復(fù)使用與1 Gbps相同的電纜/連接器未來可能達到25/50 Gbps: `, A ~: V* k B
集成光電子技術(shù)為進一步減小尺寸和成本,正在推進集成光收發(fā)器的工作:在單個封裝中結(jié)合集成電路、光電子器件和光學(xué)器件減少占用空間和物料清單簡化EMC和環(huán)境保護
& |# u3 j3 d9 o5 o增強車載網(wǎng)絡(luò)新興的車輛應(yīng)用將利用高帶寬光網(wǎng)絡(luò):自動駕駛系統(tǒng)高分辨率傳感器融合增強現(xiàn)實顯示多屏幕娛樂% e( u+ U5 g2 x( _
3 g* }! }) ~/ h) A2 d3 r! n4 ]結(jié)論1 r$ k2 p, x! r) w+ d! x* y0 f$ K
隨著汽車行業(yè)向電動和混合動力推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)型,車輛電氣系統(tǒng)在EMC、隔離和高速網(wǎng)絡(luò)方面面臨新的挑戰(zhàn)。使用塑料光纖的光學(xué)以太網(wǎng)技術(shù)提供了理想的解決方案 - 以可靠和具有成本效益的方式提供高帶寬、固有的EMI抗擾性和電氣隔離。
8 s( ]: u( Y w! z4 K/ d u0 A目前已經(jīng)實現(xiàn)千兆速度,并且有10+ Gbps的路線圖,光網(wǎng)絡(luò)有望成為下一代車輛架構(gòu)的骨干。該技術(shù)實現(xiàn)了新的分區(qū)設(shè)計、高帶寬傳感器集成和安全關(guān)鍵冗余網(wǎng)絡(luò)。3 M5 @- {0 v5 s1 B( B2 V4 J4 k
通過克服傳統(tǒng)銅纜的限制,光學(xué)汽車以太網(wǎng)允許汽車制造商實現(xiàn)先進的電動推進系統(tǒng)和自動駕駛功能,同時降低復(fù)雜性并提高可靠性。隨著車輛變得更加電氣化和計算機化,光網(wǎng)絡(luò)將在未來汽車中發(fā)揮越來越關(guān)鍵的作用。7 i& c! t3 q' b7 _+ j/ |5 g7 y( [8 \
參考文獻[1]KDPOF, "Optical Automotive Ethernet for Electrical and Hybrid Powertrains," KDPOF, Madrid, Spain. [Online]. Available: www.kdpof.com.
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。, W- ^: K- K8 X' J. W* n
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