面向汽車市場CAN/Ethernet用共模扼流圈的噪聲對策事例

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面向汽車市場CAN/Ethernet用共模扼流圈的噪聲對策事例

秩名 發表於 2014-12-25 15:15:43

　　1.背景

　　近年來汽車市場的電子化日趨明顯，今後隨著新能源汽車的普及，ADAS等附加功能會越來越豐富，每臺汽車中搭載的電子設備的數量也會相應增加，並且電子設備的種類也會越來越多樣化。

　　在汽車的電子化進程中，為了實現車內電子設備間的通信，車載LAN的搭載變成了必不可少的存在。由於車載LAN可以進行大量的信息傳輸，因此它在高速通信方面不可或缺，而且由於對高可靠性的通信品質的需求，因此會使用大量的獨特的車載接口。在車載LAN中，特別大範圍普及使用的是CAN（控制器區域網絡）。CAN的傳輸速度最大可達到1Mbps，它通過差分方式跟總線連接。CAN的總線上面可以連接多個節點，實現了1個對多的通信網的結構。由於CAN這種高可靠性的控制方式，從汽車導航系統到引擎控制系統一系列用途中都能得到廣泛使用。

　　近年來，隨著車載攝像頭應用的普及，像視頻信號這種有更大量的信息需要被高速傳輸，車載Ethernet（乙太網）也應運而生了。車載Ethernet以傳統的工業用Ethernet技術為基礎，同樣使用100Base-TX的物理層協議，是能夠對應100Mbps速率進行差分傳輸的接口。車載Ethernet技術之一就是標準組織「OPEN Alliance SIG」提倡的BroadR-Reach。BroadR-Reach使用的是一對UTP（非屏蔽雙絞線），它可以達到100Mbps的雙向傳輸，預計會在車載攝像上應用並以此為中心普及開來。

　　2.車載設備中的噪聲問題

　　在車載LAN中如果出現通信故障的話會因為直接影響設備而關係到人的生命安全，因此對通信品質的可靠性有近乎嚴苛的要求，特別是對會影響到通訊品質的因素，也就是所謂的電磁噪聲。電磁噪聲問題，不僅僅必須防止噪聲對汽車內使用的無線通信產生影響，對於周圍產生的噪聲也要保證一定的抗幹擾能力，從而確保通信的品質。CAN和車載Ethernet的通信方式採用的是差分傳輸，因此可以在一定程度上減少電磁噪聲的問題。差分傳輸是在一對傳輸道路上通過反向施加電流的方式來傳送信號，傳輸線上產生的磁通都因為相互反向而抵消掉了，因此差分傳輸很難產生電磁噪聲，這是它的特徵。

　　但是，關於周圍環境混入的噪聲，如果這個噪聲方向在傳輸線上是同向的，差分信號傳輸也很難進行幹涉，因此會引起通信故障。所以，即使是差分傳輸方式也不能完全解決掉噪聲問題，因為某些原因還是會產生噪聲的，大致可羅列以下幾種情況，①輸出信號不平衡，②線路不平衡，③和來自設備內某些其他電路的噪聲結合等。如果①中通信IC等產生的信號沒有變成理想的差分信號，那麼它會產生同向傳輸的信號成分，這些成分就會作為噪聲被釋放出來；如果②中由於線路長度以及阻抗的不平衡，那麼反向的信號中也會產生同向的噪聲。此外，如果③中設備內部的其他電路產生的噪聲傳輸到基板內部，在設備內幅射也會混入噪聲。

　　鑑於上述這些因素即使應用了差分傳輸的車載LAN也會因為各種原因而產生噪聲，所以必須要採用對應的噪聲對策產品。在車載LAN中使用的噪聲對策產品品質需要達到汽車級，具備耐受更高要求環境的能力。

　　3.噪聲對策產品

　　同向電流

　　作為CAN和車載Ethernet這種差分接口的噪聲對策產品，一般會使用共模扼流圈。共模扼流圈的基本構造如圖1所示：一個磁芯裡面有兩根繞線。這兩個繞線對應的逆向電流流過時磁芯裡產生的磁通會相互反向抵消，而同向的電流流過時磁通會相互向同方向產生，因此阻抗較高。通過這種方式共模扼流圈可以通過相互反向的差分信號但是卻可以抑制同向傳輸的共模噪聲。

　　圖1　共模扼流圈的基本構造

　　關於CAN中的噪聲對策產品，村田公司已經將對應的共模扼流圈DLW43SH系列產品化。該系列產品的外觀以及主要特徵如圖2所示。DLW43SH系列是使用在CAN和FlexRay等車載LAN中的噪聲對策用共模扼流圈，是尺寸為4.5×3.2×2.6mm的表面貼裝品。特性值最大為100μH的共模電感，此外，DLW43SH的截止頻率約為1000MHz，可對應高速差分信號對高頻的要求。使用溫度範圍在-40~+125℃，因此適用於車載的廣泛應用。

　　作為DLW43SH系列的小型化產品，DLW32SH系列目前正在開發中。該系列的外觀以及主要特性如圖3所示。DLW32SH系列的尺寸為3.2×2.5×2.3mm具有小尺寸特點，並且與DLW43SH系列相比，可實現同等性能。其構造的特徵是在產品端子部分使用了金屬支架，可以緩和由於溫度變化產生的熱伸縮影響，適用的溫度範圍達到了-55~+150℃。

　　此外，村田公司目前正在開發作為車載Ethernet用共模扼流圈的DLW43MH系列。該產品的外觀以及主要特性如圖4所示。DLW43MH系列的尺寸和DLW43SH系列同為4.5×3.2×2.6mm，共模電感值提高到了200μH，因此在較寬的頻帶中能起到有效的噪聲對策效果。由於在繞線上下足了功夫並且改善了共模轉差模噪聲，因此噪聲改善效果會更加好。

　　4.噪聲對策效果的確認

　　為了確認CAN中DLW43SH系列和DLW32SH系列的噪聲抑制效果，我們使用CAN的評估板進行了噪聲測定。噪聲測定是在村田公司的電波暗室內進行的，在汽車電子設備標準規定CISPR25的測試環境中進行了峰值檢測測定。評價板是用收發器的TXD端子向CAN輸入250kHz的脈衝信號，與此同時輸出的CAN信號被傳送到電纜中就可以檢測噪聲了。使用的共模扼流圈是DLW43SH510XK2和DLW32SH510VK2。測定結果如圖5所示。根據圖5所示產生了信號頻率為250kHz的高頻噪聲，但是因為使用了共模扼流圈，噪聲被壓制了最大20dB的程度。

　　接下來要說的是車載Ethernet的噪聲對策評價的結果。所謂測定，是使用車載Ethernet對應的通信評價板，測定板之間在通信過程中放射出的噪聲。測試環境是如上所述的和CAN相同的CISPR25標準的測試環境。使用的共模扼流線圈是DLW43MH201XK2。測試結果如圖6所示。由圖6所知，如果不使用共模扼流線圈的話在66MHz時會產生噪聲，並且還會產生高頻段的噪聲，而使用DLW43MH201XK2的話噪聲峰值部分相對降低了，顯示表明在較寬頻帶中噪聲得到了控制。

　　5.結語

　　面向車載市場的村田的噪聲對策產品以CAN和車載Ethernet為例介紹了共模扼流線圈DLW43SH系列、DLW32SH系列、DLW43MH系列的產品並且展示了噪聲對策事例。村田公司今後還將繼續充實面向車載市場的產品陣容，為電子化的進程和解決汽車市場的噪聲問題作出貢獻。

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