用于电气和混合动力系统的光学汽车以太网

光数据网络具有固有的电磁兼容性 (EMC)，是全电动或混合动力系统的最佳技术选择。塑料光纤 (POF) 通信在电磁干扰 (EMI) 和电磁敏感性 (EMS) 方面具有出色的性能。POF 对电磁场具有固有的免疫力和强大的抵抗力。此外，其固有的电流隔离和机械坚固性使光以太网技术非常适合当前和未来的车载网络基础设施。

电流隔离确保新的 48 伏电气架构

汽车中新的 48 伏电气架构在电磁兼容性和安全要求方面突破了极限。需要采取新的安全预防措施，因为即使是 48 伏和 12 伏电气系统之间的单一故障，如短路，也可能由于过压而损坏整个 12 伏系统。光链路是 48 伏域和 12 伏域之间通信的最佳选择，因为它们保证了固有的电流隔离。光以太网提供今天的 100 Mbps 和 1 Gbps 以太网兼容解决方案，并在未来提供多千兆，有足够的余量来承受恶劣的汽车环境。

可靠流畅的网络集成

POF 电缆是最可靠的解决方案：它们可以承受恶劣的环境、振动、错位、脏污、潮湿、广泛的温度范围等。此外，POF 允许快速动态弯曲、紧密静态弯曲和浸入液体中。此外，光以太网不会产生噪音，并且可以在嘈杂的环境中运行，例如在射频电子板中。POF作为直径较大的塑料光纤，制造和安装更具成本效益：安装简单，即插即用；缠绕和夹紧类似于铜缆。而且，在汽车组装过程中，光线束可以与铜线束在同一过程中安装。POF 已经在车辆中使用了十多年，并且安装在数百万辆汽车中没有出现问题。

光连接用例

如下，一组用例展示了如何使用光网络解决混合动力汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 动力系统中由 EMI/EMS 或铜基网络缺乏电流隔离引起的问题的示例）。

用例：HEV/EV 动力系统中的噪声传播

混合动力和电动汽车的动力系统需要在汽车周围放置多个电子单元。这些电子控制单元 (ECU) 调节和控制电池、转换器和电动机/发电机之间的电能流动。能量流动和转换会产生电噪声，这将影响汽车的其他领域，例如今天的信息娱乐或导航系统以及明天的自主控制系统。

通过光学连接 ECU，可以在 ECU 内隔离产生它的每个噪声，避免其传播到分散在汽车各处的所有其他 ECU。试图通过基于铜线的网络实现类似的隔离非常困难且成本高昂，这意味着更长的工程开发周期和更昂贵、更复杂的 ECU，进而可能导致更低的可靠性。

图 2：HEV/EV 动力系统中的噪声传播

用例：电池管理系统中的电流隔离

EV 或 HEV 中的推进电池被分组到需要控制的集群中。负责这种控制的是所谓的电池管理系统 (BMS)。BMS 与每个电池组通信，以收集与控制相关的信息，例如充电状态或电池温度。BMS 依次向每个集群内的本地 ECU 发送控制命令。

图 3：塑料光纤提供固有的电流隔离

虽然集群和控制模块之间来回移动的数据量不是很高（通常低于100 Mbps），但BMS控制模块和各个集群之间的通信至关重要，需要非常可靠。这些 BMS 链接对于避免电池损坏至关重要，并且必须适用于碰撞或火灾等紧急情况。

BMS 控制模块和电池组之间的光链路是确保所需高可靠性的最佳手段。基于铜缆的通信会产生寄生回路，在发生紧急事件时，可能会导致驾驶员和乘员处于危险状态。诸如塑料光纤之类的电介质将数据电缆对传导发射和传导抗扰度的贡献降低到零。可以优化辐射发射和辐射抗扰度，以充足的余量通过光学 PHY 供应商提供的高质量参考设计的所有 OEM 规范。

图 4：电池组分组为一系列电气独立的集群

用例：48 伏启动寄生高能脉冲

基于 48 伏的能源网络或混合的 12-48 伏拓扑现在并将继续成为 HEV 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 动力系统的主流。连接到车辆底盘并为高低压 ECU 所共用的电气接地会在此类动力系统中持续发生的启动事件中产生问题。

例如，信息娱乐系统与能源生产和控制系统共享电气接地。启动时流经底盘的高返回电流通过电缆屏蔽耦合到信息娱乐低压系统，电缆屏蔽连接到车辆的同一电气接地。铜缆屏蔽为各种 ECU 的电流提供了一个平行的返回路径（替代底盘）。因此，在典型的跨接启动期间，可以在电缆屏蔽层中测量到高于 8 安培的电流。

如果信息娱乐系统或 ADAS 等低压系统中的 ECU 之间的通信链路是光学的，那么原生电流隔离会将它们与高压/高能量系统及其相关事件隔离，从而保持其可靠性。

图 5a：1. 800-900 A 电流在跨接启动时与底盘一起循环

图 5c：感应脉冲在 STP 屏蔽上产生 8 A 电流。

图 5b：浪涌电流产生 400 V 机箱电位，耦合到 STP 数据链路。

图 5d：主机损坏。

图形显示了汽车的底盘，该底盘使用 48 伏作为电压电平为不同区域的不同电子单元供电。在这种情况下，两个电子单元（ISG/BMS 和 FRAD）显示在汽车的两个不同位置；然而，它们通过底盘进行电气连接，底盘具有特定的寄生电阻（0.5 毫欧）。

图形还显示了与汽车中的信息娱乐系统相对应的两个主机单元。它们还通过不同的接地树连接到机箱，并在它们之间通过屏蔽双绞线（铜线）连接。

用例：48 伏/12 伏系统中的故障保护

混合 48 伏/12 伏能源系统将成为下一代 HEV 和 PHEV 汽车的主流。48 伏特为启动器、交流发电机或电池模块等“饥饿”的电气模块保留，而 12 伏特则专用于更“精密”的电子模块，如信息娱乐系统或 ADAS 处理单元。两个域共享同一个地面系统，即汽车底盘。

48 伏域中的 ECU 设计有适合此类电压的电子元件。这些组件的额定电压通常超过 70 伏。12 伏 ECU 设计有支持高达 60 伏电压的电子元件。如果 48 伏 ECU 发生接地丢失等事件，并且如果 48 伏和 12 伏域之间存在非电流隔离链路，则两个域之间将存在电气路径。这将使 12 伏 ECU 及其组件暴露在高于它们额定支持的电压下，从而导致故障或缩短其使用寿命。

图 6：故障模式

电流隔离在光网络中是固有的，这意味着无需包括防止此类事件的保护措施，也无需设计 12 伏 ECU 以承受 48 伏或更高的潜在事件。

用例：EMC 合规性

EMC 认证是 TIER-1 和 OEM 平台验证的关键步骤之一。通信速率高于 100 Mbps 的铜质链路需要复杂且昂贵的解决方案来符合严格的 OEM 的 EMC 规范：高质量屏蔽、受控双绞线、复杂的直插式连接器等。光端口可以更轻松地通过 EMI 和 EMS . 这直接影响线束和连接器的成本，更不用说分配给开发和调试阶段的工程资源了。

首款汽车千兆以太网收发器

KD1053 IC 是第一个完全集成的汽车收发器，它实现了基于 POF 的千兆以太网物理层。它绝对满足汽车制造商的需求：

根据 1000BASE-RH (IEEE Std 802.3bv TM -2017)在标准 SI-POF、MC-POF 或 PCS 上以 1000/100 Mbps 的速率传输数据

支持多个数字主机接口的灵活连接

用于配置和监控的 SMI (MDC/MDIO) 接口支持第 22 和 45 条，也可以配置为 I 2 C 总线

SPI/I 2 C 主接口，用于读取外部引导和配置 EEPROM 存储器

支持 OAM、唤醒和睡眠、中断生成

支持最大 10 KB 的巨型数据包

PTP 支持和 SyncE 时钟生成支持。

用于诊断的不同环回模式和 PMD 测试模式

链路/活动监控和速度 LED 输出

完全集成的数字自适应非线性均衡器

对于 1 Gbps 和 100 Mbps 操作模式，BER < 10 -12

1 Gbps 操作的延迟为 6.2 毫秒，100 Mbps 的延迟为 1.4 毫秒（本地 RGMII 到远程 RGMII）；1 Gbps 运行时 5 ns RMS 抖动，100 Mbps 时 9 ns

1 Gbps 操作的链接时间为 55 毫秒

内部可靠性功能：电源和温度传感器、FOT 输入电源监控

具有集成线性稳压器的高级电源管理

低功耗，1 Gbps 时为 460 mW，带串行接口

低成本物料清单 (BOM)

旨在符合 OEM 最严格的 EMC 规范。

汽车 AEC-Q100 2 级

-40 至 +105°C 环境温度范围

56 引脚 QFN（7 x 7 毫米）ROHS 封装

审核编辑：郭婷