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Molex下一代車載乙太網平台實現自駕車生態系統

Molex推出其用於互聯車輛及自動駕駛汽車的下一代乙太網車載通訊技術,憑藉網路滿足聯網車輛和自動駕駛車輛對自我調整性應用的需求。 Molex首席系統架構師 Michael Potts 表示,汽車業正在經歷一場重大的轉型,目前正面對著挑戰,需要滿足車載通訊提出的要求,例如自我調整性應用等等。在軟體定義的未來車輛當中,Molex的乙太網車載網路通訊解決方案是為具有自我調整性的認知功能及應用提供大力支援的建構模組。 在包括 IEEE 802 TSN、安全及 IEEE 802.3 工作組在內的乙太網標準聯盟當中,Molex一直都是積極的參與者及領導者,也是 IEEE 802.1DG TSN 標準概要的原始開發者及主要推動者,這一標準概要將應用於「汽車車載乙太網通訊設定檔」的標準草案。 Potts補充道,對於軟體定義的車載通訊網路來說,它的未來發展要求採用一種系統級的方式,容許將目前在車輛功能上的需求與新型的自我調整性應用融合在一起,從而在提高資料流量的同時,會要求使用更小一些、更加精確的確定性訊號,並且該公司還期待著端到端的延遲會達到接近零的水準。 Molex開發出的下一代車載乙太網路平台可實現完整的車輛生態系統,它跨越了軟硬體和互聯布線系統,實現無縫的多區域整合,以及未來升級所需的可擴展性。
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確保互聯汽車安全性 EMI管理刻不容緩

從無線電時代最早的時候開始,就必須努力減輕那些路徑交疊並且相互碰撞到一起的各種訊號(那時是無線電訊號,現在則是無線訊號)的流量。在早些時候,汽車中並沒有很多的電子元件,而調幅廣播(AM)仍然被視為高端技術。 對於汽車工程師來說,重要的一點就是需要避免使用可能無意中產生與調幅廣播的頻率範圍(525KHz~1705KHz)相同的系統。具有「EMI特性」、在該頻率範圍內具有高發射頻率的設備會與調幅廣播的通道發生干擾,進而在無線電揚聲器上產生嘈雜的嗡嗡聲或者靜電雜訊。 汽車製造商長期以來一直面臨著EMI上的問題,並且,隨著車輛導入越來越多的電子設備,包括GPS、Wi-Fi、藍牙、資訊娛樂系統、調幅/調頻/衛星廣播、功率逆變器、USB資料、USB充電器、無線充電器、CAN/LIN匯流排、攝影機、雷達及乙太網主幹/閘道等等,在EMI管理上出現的挑戰正在以指數方式成長。 另外還有一個事實就是,消費者也在將外部設備和可攜式裝置加入到車輛當中,那些設備的EMI特性和頻譜會發生重疊,有一定的危險,而這只會加劇對於減輕干擾的需求。 EMI易影響互聯車輛/自動駕駛安全性 隨著汽車製造商不斷開發需要最高程度的安全性與高效能的智慧車輛和自動駕駛車輛,開始將許多電氣系統和電子系統安放到汽車之類密閉的空間當中,這也意味著降低電磁干擾要比以往任何時候都還要重要。 汽車製造商必須認真細緻的確定並實施電磁相容性上的規範,從而確保電子設備相互之間不會產生干擾,否則會導致設備或系統的效能不盡如人意,或者在更惡劣的情況下產生危險的後果。 充分瞭解一個具體的汽車網路中存在的全部EMI特性以及潛在的相容性問題,並不是一件簡單的任務,而在考慮到安全性的情況下,這項工作尤其重要。比如說,收聽調幅無線電台節目時遇上雜訊形式的干擾,當然並非好事。 然而,如果一台設備造成的干擾會使汽車的轉向和制動系統的預期效能發生中斷,並且危及乘客的安全,那麼這個風險便更加值得關注了。本文將探討一些基本類型的電磁相容性(EMC)測試,以及驗證電子設備是否適合汽車應用使用的一些必需的具體測試。 降低EMI前先了解電磁波發射類型 首先,對於必須考慮並減輕的各種類型電磁波發射,我們必須要充分瞭解。電子設備會將電磁能輻射到空中,而這種能量可以劃分為有意或者是無意的。舉例來說,手機會有意的發出雜訊。分類為有意的原因在於,手機必須在空中連接到手機發射塔。由於電磁相容性的緣故,我們為有意的發射施加了功率極限和譜特性。 但是,一些電子設備也會無意的輻射出雜訊,與有意的雜訊不同的是,這類雜訊往往可以在強度上有所減低並受到控制。有很多方法可以行之有效的降低無意的輻射雜訊,包括新增金屬遮蔽、改進印刷電路板(PCB)的布局,或者策略性地加入共模扼流圈、鐵素體、電阻器和電容器等等之類的濾波裝置。 此外,電子設備在連接到設備本身的接線上可以發出稱為傳導發射的雜訊。常見的互聯接線的例子包括電力線束、USB電纜和乙太網電纜等等。在某些情況下,電纜上的傳導雜訊(傳導發射)可以轉換成空中的雜訊(輻射發射),成為「嘈雜的」電纜,這種電纜可以發揮天線的作用,將傳導發射轉換為輻射發射(圖1)。 圖1 供電導線上的傳導發射設定。 實現最佳電磁相容設計從模擬/測試階段做起 由於車輛處於不斷的運動中,幾乎可以行駛到任何地方,因此汽車製造商必須按照最壞情況進行假設並從事設計,同時還必須在成本最低的條件下實現能夠提供極高可靠性的解決方案。答案就是:最優的電磁相容設計並選取最好的EMI遮罩材料,這就要求不僅在設計階段、而且還要在測試和模擬階段達到極高的精度。 由於輻射發射通過空氣來傳播,因此可以採用校準的天線設定進行測量。必須採用以各種方向(垂直、水準等)來排列的多種類型的天線,從而捕捉到整個頻率範圍。 對於輻射發射和傳導發射的測試設定、功率極限和頻率範圍,汽車製造商制定了具體而又嚴格的要求,並且他們還必須確保測量技術以及合格/不合格的標準符合自身的要求。如果標準過於嚴格,則意味著要花費過多的成本來減輕雜訊,而標準太過寬鬆則會無意中與其他電子設備產生干擾,造成與EMI有關的問題。 輻射發射的測試範圍通常在100KHz~2GHz,需要三種不同類型的天線來覆蓋整個範圍。這個設置包括(被測元件)DUT、DUT布線、GND銅板架、前置放大器、電腦、電源、光纖資料轉換器以及頻譜分析儀。 汽車製造商還必須指定要接受測試的多種DUT作業模式。例如,USB埠的作業模式只包括快閃記憶體盤的讀寫,而其他作業模式則可能要求USB埠提供最大的充電電流,同時另一種作業模式則可能包含將手機連接到USB埠,從而啟動Apple Carplay或者Android Auto。然後,測試階段就必須考慮到全部這些變數。 透過輻射/傳導抗擾度測試確認DUT干擾狀況 輻射抗擾度和傳導抗擾度測試的目的是確定DUT在嘈雜的干擾情況下會出現甚麼情況。輻射發射和傳導發射的通過限值必須始終低於輻射抗擾度和傳導抗擾度的通過限值。一台設備的輻射發射必須低於鄰近設備的輻射抗擾度容許公差,否則就會造成不良作業(圖2)。 圖2 輻射發射的設置(單一DUT模式下的垂直BICON測試)。 輻射抗擾度測試可確定DUT在電磁干擾訊號於空中穿過的情況會有何表現。必須採用校準的噪音源,在發射天線對準DUT的條件下進行測試。傳導抗擾度測試可確定進入到電纜(例如電力線束、USB電纜或者乙太網電纜)中的干擾訊號在連接到DUT的情況下,DUT的表現如何。汽車製造商通常會指定測試多種DUT作業模式,並且還將指定預期的狀態級別回應。例如: 1.狀態1回應:可能是「無回應」。這意味著在抗擾度測試過程中,設備必須在各種作業模式下正確工作,而不會出現明顯的效能降級。 2.狀態2回應:可能會出現明顯的回應,但是在關掉干擾訊號後必須自動恢復。 3.狀態3回應:會出現明顯的回應,並且在排除掉干擾後需要使用者干預才可回復正常作業(點火迴圈)。 對於EMC有無數個類型的測試設定,包括: .可攜式發射機 .大電流注入器 .耦合抗擾度 可攜式發射機測試設定 一種特定類型的輻射抗擾度測試稱為「可攜式發射機」。該測試會測試DUT對於手機和掌上型雙向無線對講機之類設備的抗擾度。 大電流注入測試設定 一種特定類型的傳導抗擾度測試稱為「大電流注入」(BCI)。該方法會穿過一個磁場來路由使用者的電纜和線束,從而模擬窄帶輻射電磁能。 耦合抗擾度測試設定 還有一種傳導抗擾度測試稱為「耦合抗擾度」。該測試可模擬在同一線纜束或相鄰線纜束中路由到干擾線的DUT電纜;然後接受測試的DUT電線/電纜將在一米的長度內連接到干擾訊號。 其他抗擾度測試可以模仿車輛中苛刻的電氣環境。其中一些測試包括: .靜電放電(ESD):一項重要的EMC測試。IEC標準IEC61000-4-2是一項廣泛採用的標準,可以測試電子設備的ESD抗擾度。 .電源線干擾:暫態壓降(振動和連接器)、啟停電池壓降、溫暖曲柄壓降。 .瞬態干擾:繼電器震顫耦合、電動遙控鎖電感負載、觸點電弧、觸點顫動。 .功率迴圈:車輛發動機啟動過程中的點火迴圈電壓波動。 .電壓過大:負載突降(交流發電機產生充電電流並且在其他電力負載已連接的情況下,電池斷開)、跳線跨接啟動、交流發電機失控、變換極性。 總結來說,將大量的電氣系統和電子系統安放到極其有限的空間當中,這些汽車系統以輻射發射和傳導發射的電磁會相互干擾,我們必須解決這個問題。如果不正確的進行控制,那麼產生的干擾會造成系統故障或者在某些情況下使系統徹底失效。 為此,零組件供應商如Molex,便透過豐富的互聯車輛團隊經驗,引入了由各種汽車業解決方案、途徑和方法組成的久經考驗的產品組合,用於對電磁發射和相關技術進行控制,從而使電子設備良好的耐受電磁干擾。 (本文作者Greg Bella為Molex首席工程師;Jeff Ciarlette為Molex電氣工程師主管)
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