面向汽车市场CAN/Ethernet用共模扼流圈的噪声对策事例
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1.背景 近年来汽车市场的电子化日趋明显，今后随着新能源汽车的普及，ADAS等附加功能会越来越丰富，每台汽车中搭载的电子设备的数量也会相应增加，并且电子设备的种类也会越来越多样化。 在汽车的电子化进程中，为了实现车内电子设备间的通信，车载LAN的搭载变成了必不可少的存在。由于车载LAN可以进行大量的信息传输，因此它在高速通信方面不可或缺，而且由于对高可靠性的通信品质的需求，因此会使用大量的独特的车载接口。在车载LAN中，特别大范围普及使用的是CAN(控制器区域网络)。CAN的传输速度最大可达到1Mbps，它通过差分方式跟总线连接。CAN的总线上面可以连接多个节点，实现了1个对多的通信网的结构。由于CAN这种高可靠性的控制方式，从汽车导航系统到引擎控制系统一系列用途中都能得到广泛使用。 近年来，随着车载摄像头应用的普及，像视频信号这种有更大量的信息需要被高速传输，车载Ethernet(以太网)也应运而生了。车载Ethernet以传统的工业用Ethernet技术为基础，同样使用100Base-TX的物理层协议，是能够对应100Mbps速率进行差分传输的接口。车载Ethernet技术之一就是标准组织“OPEN Alliance SIG”提倡的BroadR-Reach。BroadR-Reach使用的是一对UTP(非屏蔽双绞线)，它可以达到100Mbps的双向传输，预计会在车载摄像上应用并以此为中心普及开来。 2.车载设备中的噪声问题 在车载LAN中如果出现通信故障的话会因为直接影响设备而关系到人的生命安全，因此对通信品质的可靠性有近乎严苛的要求，特别是对会影响到通讯品质的因素，也就是所谓的电磁噪声。电磁噪声问题，不仅仅必须防止噪声对汽车内使用的无线通信产生影响，对于周围产生的噪声也要保证一定的抗干扰能力，从而确保通信的品质。CAN和车载Ethernet的通信方式采用的是差分传输，因此可以在一定程度上减少电磁噪声的问题。差分传输是在一对传输道路上通过反向施加电流的方式来传送信号，传输线上产生的磁通都因为相互反向而抵消掉了，因此差分传输很难产生电磁噪声，这是它的特征。 但是，关于周围环境混入的噪声，如果这个噪声方向在传输线上是同向的，差分信号传输也很难进行干涉，因此会引起通信故障。所以，即使是差分传输方式也不能完全解决掉噪声问题，因为某些原因还是会产生噪声的，大致可罗列以下几种情况，①输出信号不平衡，②线路不平衡，③和来自设备内某些其他电路的噪声结合等。如果①中通信IC等产生的信号没有变成理想的差分信号，那么它会产生同向传输的信号成分，这些成分就会作为噪声被释放出来;如果②中由于线路长度以及阻抗的不平衡，那么反向的信号中也会产生同向的噪声。此外，如果③中设备内部的其他电路产生的噪声传输到基板内部，在设备内幅射也会混入噪声。 鉴于上述这些因素即使应用了差分传输的车载LAN也会因为各种原因而产生噪声，所以必须要采用对应的噪声对策产品。在车载LAN中使用的噪声对策产品品质需要达到汽车级，具备耐受更高要求环境的能力。 3.噪声对策产品 作为CAN和车载Ethernet这种差分接口的噪声对策产品，一般会使用共模扼流圈。共模扼流圈的基本构造如图1所示：一个磁芯里面有两根绕线。这两个绕线对应的逆向电流流过时磁芯里产生的磁通会相互反向抵消，而同向的电流流过时磁通会相互向同方向产生，因此阻抗较高。通过这种方式共模扼流圈可以通过相互反向的差分信号但是却可以抑制同向传输的共模噪声。 图1 共模扼流圈的基本构造 关于CAN中的噪声对策产品，村田公司已经将对应的共模扼流圈DLW43SH系列产品化。该系列产品的外观以及主要特征如图2所示。DLW43SH系列是使用在CAN和FlexRay等车载LAN中的噪声对策用共模扼流圈，是尺寸为4.5×3.2×2.6mm的表面贴装品。特性值最大为100μH的共模电感，此外，DLW43SH的截止频率约为1000MHz，可对应高速差分信号对高频的要求。使用温度范围在-40~ 125℃，因此适用于车载的广泛应用。
图2 DLW43SH系列的外观和主要特性 作为DLW43SH系列的小型化产品，DLW32SH系列目前正在开发中。该系列的外观以及主要特性如图3所示。DLW32SH系列的尺寸为3.2×2.5×2.3mm具有小尺寸特点，并且与DLW43SH系列相比，可实现同等性能。其构造的特征是在产品端子部分使用了金属支架，可以缓和由于温度变化产生的热伸缩影响，适用的温度范围达到了-55~ 150℃。
图3 DLW32SH系列的外观和主要特性 此外，村田公司目前正在开发作为车载Ethernet用共模扼流圈的DLW43MH系列。该产品的外观以及主要特性如图4所示。DLW43MH系列的尺寸和DLW43SH系列同为4.5×3.2×2.6mm，共模电感值提高到了200μH，因此在较宽的频带中能起到有效的噪声对策效果。由于在绕线上下足了功夫并且改善了共模转差模噪声，因此噪声改善效果会更加好。
图4 DLW43MH系列的外观和主要特性 |
