作者：Bruce Jiang

引言

電氣和自動駕駛結構大大推動了布線系統的挑戰。問題包括電磁干擾、電磁敏感性和重量減輕。此外，汽車應用、使用和安全要求還大大提高了必要的網絡速度。汽車中新的48伏電氣結構還推動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格的OEM EMC規范，導致成本高昂，工程非常困難。此外，所需電纜直徑不斷增大的重量與電動動力總成的續航距離之間存在矛盾。 ? 光網絡技術克服了這些趨勢，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域之間進行通信。就重量而言，光網絡可以節省相當于銅線線束的30％以上重量。光以太網提供了100 Mb/s和1 Gb/s的網絡解決方案，而多千兆以太網是車載網絡的重大突破。作為以太網標準802.3的修正案，光學多千兆以太網的標準化工作已經在IEEE開始。 ? ? ?

?低重量和堅固性

POF光纖是最可靠的解決方案：塑料光纖可以承受惡劣的環境、振動、錯位、污染、濕度、寬溫度范圍等。此外，POF允許快速動態彎曲、緊靜態彎曲和浸泡在液體中。另外，光纖以太網產生非常低的噪聲，可以在嘈雜的環境中運行，例如在射頻電子板中。有了光纖和銅線并行，光網絡提供ASIL-D安全架構，ASIL-D=ASIL-B+ASIL-B。 ?

? 關于重量，光纖也具有顯著的優勢。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銅線總計為25 g/m，直徑為5mm。 ?

電磁兼容性

光學數據網絡具有其固有的電磁兼容性（EMC），是完全電力或混合動力傳動系統的最佳技術選擇。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對電磁場具有天然的免疫性和穩定性。在許多用例中，可以使用光纖網絡來解決由混合動力車輛（HEV）和電動車輛（EV）動力總成中的EMI / EMS或缺乏銅基網絡的潛在隔離所引起的問題。 ? 京都大學工程研究生院的論文《脈沖干擾對1000BASE-T1通信質量下降的實驗調查》中，對1000BASE-T1的通信質量與干擾的脈沖寬度之間的關系進行了實驗調查。由于共模反射和模式轉換，FER（幀誤碼率）在特定脈沖寬度下增加了兩個數量級以上。他們得出結論，具有急劇變化的脈沖干擾會顯著降低通信質量 ? “100Base-T1通信線對耦合快速開關高壓脈沖的易感性”研究了高壓（HV）系統與100Base-T1雙絞線以太網通信之間的耦合效應以及脈沖干擾對通信性能的影響。由于電池電壓高達850V，再加上逆變器的更快開關時間，HV系統的干擾潛力可能足以對通信質量產生性能降低的影響。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，數據速率就會減少。大于400V的脈沖會將數據速率降低到20％。 ?

混合/純電動力系統中的噪聲傳播

混合動力和純電動汽車的動力總成需要安裝在車輛各處的多個電子控制單元（ECU）。這些ECU調節和控制電池、變流器和電機/發電機之間的電能流動。能量流動和轉換產生電器噪聲，這將影響車輛的其他部分，如現在的信息娛樂或導航系統，以后的自動駕駛系統。通過光學連接ECU，可以將每個噪聲限制在產生它的ECU中，避免其傳播到整個車輛上分散的其他ECU。用基于銅的網絡實現類似的隔離是非常困難和昂貴的，這意味著更長的工程開發周期，更昂貴和復雜的ECU，這可能反過來意味著較低的可靠性。 ?

? 德國多特蒙德EMC測試有限公司在論文《HV電池電纜的排放對汽車應用中雙線以太網通信的信號完整性的影響》中研究了HV牽引系統與100Base-T1通信之間的耦合。逆變器的電壓接近400V的極限。在時域中測量的差分模式下的PHY端口電壓有達到2V的峰值。這表明UTP電纜很容易受到由這些高壓（HV）牽引系統和通信信道之間的EMC耦合引起的電磁干擾。 ? 另一項研究考察了“高效功率電子對具有自動駕駛功能的電動汽車的EMC影響”。為了提高電動汽車的能效，使用了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）半導體。與目前部署的硅半導體（120 ns）相比，這些半導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。 ?

電池管理系統中的隔離

電動汽車或混合動力汽車中的推進電池被分組控制，由電池管理系統（BMS）控制。盡管在電池集群和控制模塊之間傳輸的數據量不是很高（通常低于100 Mb/s），但BMS控制模塊與各個電池集群之間的通信至關重要，并且需要非常可靠。這些BMS鏈接對于避免電池損壞至關重要，并且在緊急情況下（如崩潰或火災）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。基于銅的通信會產生寄生回路，在緊急事件發生時，可能會給司機和乘客帶來危險的情況。 ?

傳統的BMS架構 ? 對于電池單元的感測和監控，無線通信是理想的，可以與光以太網鏈路共存，以連接高壓和低壓ECU。 ? 無線監測的好處包括鏈路可靠性，因為鏈路短而且在高壓設備內部。定期監測信息不是關鍵的，因為它是連續采樣的。此外，線路復雜性降低。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，光纖以太網的優勢包括在非常嘈雜的環境中，如具有高電壓和非常低開關時間的電力電子設備，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域，因此工程簡單易行。以太網是一種標準解決方案。將所有ECU集成到同一網絡中，并與BMS系統的其他ECU一起，可以提高系統在整個汽車架構中的集成度，從而降低成本。 ?

新的BMS架構結合了兩種技術的優勢 ?

48V跳躍式啟動寄生高能脈沖

基于48V的能源網絡或混合12-48V拓撲將繼續成為HEV和插入式混合動力汽車（PHEV）動力總成的主流。高低壓ECU一起連接到汽車底盤的電氣地線，在動力系統中不斷發生的啟動事件上產生問題。例如，信息娛樂系統與能源生成和控制系統共享電氣接地。在啟動時，通過連接到相同電氣接地的車輛底盤的電纜屏蔽，可以測量到高于8安培的電流，銅纜屏蔽為不同ECU的電流提供了一個平行的返回路徑。據歐洲一家主要汽車制造商報告，如果低壓系統（如信息娛樂系統或ADAS）之間的通信鏈路是光學的，那么本地的靜電隔離將使它們與高壓/高能系統及其相關事件隔離，從而保護其可靠性。? ?

?48/12V系統的故障保護

在48/12V混合能源系統中，48V用于“饑餓”的電子模塊，如啟動器、發電機或電池模塊，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。兩個域共享相同的接地系統，即汽車底盤。48V 域的ECU采用適合這種電壓設計的電子元件，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60V的電壓。如果48V ECU中發生接地丟失事件，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，從而導致故障或降低其使用壽命。 ?

符合EMC要求

EMC認證是Tier1和OEM驗證平臺的關鍵步驟之一。通信速率高于100 Mb/s的銅線需要復雜昂貴的解決方案才能符合嚴格的OEM EMC規范：高質量屏蔽、受控對絞、復雜的直接連接器等。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，更不用說分配給開發和調試階段的工程資源了。 ? ?

標準化和合規性

IEEE 802.3標準 IEEE Std 802.3bv是IEEE 802.3標準的修正案，IEEE Std 802.3bv for gigabit Ethernet over POF 定義了利用POF的汽車、工業和家庭網絡應用物理層規范和管理參數。KDPOF技術完全滿足新的IEEE修正案的條件，為汽車應用提供可靠和經過驗證的解決方案。KD1053收發器完全滿足汽車制造商的要求，提供高度連接性、靈活的數字主機接口、低延遲、低抖動和低連接時間。該收發器經過優化，具有低功耗和小體積，可按照1000BASE-RH（IEEE 802.3bv）標準在標準SI-POF、MC-POF或PCS上傳輸數據，速率為1000/100 Mb/s。 ?

ISO 21111

國際標準化組織（ISO）通過補充部分ISO 21111-3:2020和ISO 21111-5:2020，為通過POF技術實現每秒1Gigabit可靠車載數據傳輸指定了進一步的特性。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。它還包含實現此標準的IC供應商的一致性測試計劃。 ? ISO 21111-5:2020指定了系統級別的要求以及實現ISO 21111-3中指定的光學1 Gb/s物理層的ECU供應商的完整符合性和互操作性測試計劃。基于這些標準，KDPOF的光學技術可以為汽車制造商和Tier1提供完整、兼容和互操作的實現。 ?

參考設計

KDPOF提供了一個參考設計板，用于1000BASE-H和100BASE-H的符合性實施。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（時鐘、PMIC、Cs、Rs、Ls、濾波器）外，該板還建立了電源分配網絡（去耦、濾波、穩定性）和信號完整性。該板實現了喚醒功能，以及支持多種接口（MII、RMII、RGMII、SGMII），該板實現了符合ISO標準的喚醒和睡眠功能。其他特點包括PCB堆疊和布局、技術評估車和全溫度范圍。 ?

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已經在汽車上使用了10多年，并已安裝在數百萬輛汽車上。 ? KDPOF正在開發新的集成設備以進一步降低成本。集成的光纖收發器（FOT）KD9351是第一款用于光學車載連接的設備，它將收發器IC、光電子器件和光學器件集成在一起。集成的FOT是一個單一組件，從100 Mb/s到1 Gb/s的光學端口，成本和體積都有所降低，可用于汽車以太網連接。減少部件數量也減少了測試和資格的工作量。因此，與STP相比，總體費用大大降低。此外，更多的優勢是供應鏈中鏈接之間的沒有余量堆疊和供應鏈的簡化。因此，它為EMC關鍵或導電隔離關鍵鏈路提供了有競爭力的價格。KD9351提供了一種完整的新FOT設計。它重用低成本的MEMS封裝，允許使用8×7mm LGA元件進行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單塑料連接器完成的。溫度范圍從-40°C到105°C，符合嚴苛的汽車環境要求。具有V2級的振動類別，可承受電機條件。此外，該設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，因為屏蔽是集成到PCB元件中的。FOT和IC在PCB上的裝配簡化了。光學實現了發射和接收鏡頭。FOT設計用于廣泛的應用，如車載網絡、工業以太網和消費電子產品。 ?

光學多千兆以太網

隨著電動汽車、自動駕駛和V2X互聯等技術飛躍的出現，汽車應用、使用和安全要求極大地提高了必要的網絡速度。因此，車載網絡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即將被標準化和實施。在IEEE 802.3工作組的批準下，一個由來自15家主要汽車制造商和部件供應商組成的團隊，在業界的大力支持下，開始了IEEE 802.3汽車光多千兆標準的標準化工作。 ?

? ? 工作小組于2019年夏天啟動。2021年底推出了第一批原型。研究小組正在評估為汽車行業創建IEEE以太網標準，速度從2.5 Gb/s開始，最高可達25或50 Gb/s。它將利用現有的10GBASE-SR（IEEE用于工業用途的當前標準）獲得適用于嚴格汽車要求的新技術。 ? 新標準的關鍵發展目標是超強的性能。速率高將達每條線路50 Gb/s，并可擴展到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個線束內連接件。公共汽車和卡車距離為40米，4個線束內連接件，25 Gb/s。并滿足OEM的可靠性要求，故障率低于10 FIT（1個FIT等于每1000個設備運行100萬小時出現一次故障)。 ? 通過簡單的調制，復雜度保持在較低水平。對于光纖，選擇OM3等級，因為它已經被數據中心和航空電子設備廣泛使用。只有廣泛使用的光源才會被選擇。為了實現成本效益，定義了兩種連接器等級。關于拓撲，從一開始就考慮了不對稱的上行和下行鏈路。使用節能以太網（EEE）規范是實現這一特性的合適候選。攝像頭、顯示器和其他不對稱的用例已被納入標準化的測試案例。

一個OAM側信道將用于可靠性和鏈路管理。沒有重傳意味著視頻分發的受控延遲。對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注，已經為nGBASE-SR開發的光學、光纖、連接器和電子元件將被重復使用。其他規格包括850nm VCSEL、多模OM3光纖、PAM2接收器和連接器。標準化工作著重于汽車要求：VCSEL的可靠性以及操作溫度范圍，質量等級的連接器開發，以及一個自適應的DSP來應對VCSEL的大參數偏差。提高產出率可以降低成本。 ?

展望

光學解決方案在使用多千兆速率的車載連接應用中的關鍵優勢，包括由于固有的電氣隔離而帶來的電磁兼容性（EMC）、低重量和低成本等。來自歐洲和美國不同汽車制造商的相關應用案例結合了光網絡技術的全面特性和優勢。全球主要的光電子、連接器和線束供應商已經準備好，并且提供了一個充足且具有競爭力的市場，提供車載多千兆所需的所有新組件：物理層（PHY）、光纖收發器（FOT）、光纖、連接器和光源。該技術將具有可擴展性，以便在未來實現更高的數據速率。通過在新標準的所有領域進行優化，可以在所有部件（CMOS IC、VCSEL、PD、接頭、套管、電纜、直接連接技術、光學和鏡頭等）之間實現復雜性和成本的最佳平衡，以便為汽車市場提供最低成本、最可靠、最具可擴展性的解決方案。 ?

編輯：黃飛

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