基于有源以太网(PoE)部署 汽车应用解析

展望未来,这些系统将更加复杂,以日益精密的基于传感器的防碰撞系统为例,该系统设计用于提供车道偏离、路标、交通信号灯和行人识别功能。

针对配套部署标准以太网有源以太网 (PoE) 的优势——主要由于利润高于大部分使用此方法的部署——汽车市场提出了一项有趣的案例研究。汽车行业的变化可谓翻天覆地,消费者和政府对更安全的汽车的需求极大促进了先进驾驶辅助系统 (ADAS) 的应用。ADAS 特点日益发展为汽车的标准特点,比如,后视停车传感器和摄像头已经相当普及。

标准以太网可通过低成本的非屏蔽双绞线提供高带宽数据传输,事实证明,这个解决方案对 ADAS 应用极具吸引力。从历史角度回顾技术发展可以发现,采用基于标准的解决方案已经得到了充分理解,多个供应商服务多个市场,从而形成规模经济并最终提供最低的拥有成本。然而,采用根据大量补充性 IEEE 标准推出的标准以太网还另有其他的整体优势,而这一点却常常受到忽略。有源以太网 (PoE) 的使用就是其中一个例子。

那么它是如何运作的呢?从汽车制造商的角度而言,在汽车周围添加多个摄像头传感器会增加布线内容,毫无意外,这是他们不想看到的结果。此外,位置较远的汽车传感器也需要沿着数据接线传输电力。这通常导致每个传感器均需使用额外的一对接线,从而远程为各个设备供电。然而,IEEE 802.3af(标准)和 IEEE 802.3at(功率增大型)指定了根据数据在同一根线缆上配电的方式——采用该类技术意味着使用标准以太网接口的远程传感器设备有效消除了对额外电缆的需求。在这个例子中,不仅接线数量得到减少,利用标准PoE展现这一稳定技术的优势也令汽车应用受益——不增添额外的系统成本。

IEEE802.3af/at PoE运行的基本原理如图 1 所示。这解释了如何能够在不增添额外系统成本的情况下得到执行。

图 1. IEEE802.3af/at 有源以太网;幻象供电法原理

图 1. IEEE802.3af/at 有源以太网;幻象供电法原理

如图所示,PoE架构包含两大要素。供电端设备 (PSE) 供应电力和受电端设备 (PD) 接受电力。专用的 PSE 控制器必须对 PD 进行检测和分类,然后再分三个阶段流程供电:发现:PSE 确认是否连接到有效且兼容的设备;分类:PSE 核对 PD 的电力需求;运行:如果1 号和 2 号条件确实有效且 PSE 可以提供充足电力,PSE将启用 VPSE电压(介于 44V 到 57V 之间)。

作为“幻象供电”技术,PoE电压 VPSE应用于标准 100BASE-TX 以太网变压器的中心抽头。电流会沿着两条接线下流到 PD 端的以太网变压器中心抽头。每个绕组各承载一半电极相反的电流,因此,通过变压器的总 DC 电流实际上应该为零。这种“幻象供电”法具备一个重要优势,即抑制 PD 端变压器的共模噪声,但这仅适用于 100BASE-TX 以太网接口。随着共模噪声散入差动以太网信号并被清除,PSE发出的噪声或沿双绞线电缆提取的噪声将实现耦合。如果 RX 和 TX 接线对偶然交换,PD端需要使用桥式整流器启用整流并以极性不敏感的方式发挥作用。

其他变压器的中心抽头会提供 PSE 的接地回路路径,这将产生第二个重要优势,即 PD 和 PSE 接地的电流隔离。两端的接地电位不同时,电流隔离的作用非常重要,能够防止形成辐射接地回路——这种情况很可能对汽车意义重大。这种优势也是安装100BASE-TX 以太网所独有的。

幻象供电如何能够为汽车应用优化

对汽车应用运用此类 IEEE PoE方法时会产生相当大的优化机会(图 2)。

消除传统的 PSE 控制器是主要差异。这可能是由于汽车应用的 PD 端为已知且固定,因此无需经过发现和分类阶段。我们以后视摄像头模块及其机头单元之间的接口为例。在这种情况下,相对昂贵的 PSE 控制器可以用低成本的 DC-DC 稳压器代替,在电流过载故障情况下提供关闭保护。通过为汽车应用更加适合的较低PoE电压VPSE,例如 12 V,PD 端也可以使用一个电压较低(并且成本较低)的 DC-DC 稳压器。需要注意的是,从 12V PoE运行时,每个端口可以获得约 6W 的额定功率,如果需要额外功率,可以使用更高的PoE电压(或增强的额定电流磁性)。另一个优势是,由于汽车接线也将固定,PD端也不再需要普通的桥式整流器。

 

图 2.优化机会使用“幻象供电”的 100Base-TX PoE 汽车
图 2.优化机会使用“幻象供电”的 100Base-TX PoE 汽车

 


表 1.汽车PoE成本和性能优势

 

 

表 1.汽车PoE成本和性能优势

 

尽管经过优化且降低了最终成本,但由于采用“幻象供电”法,汽车应用的标准以太网PoE仍具备其他优势。特别是PD 端共模噪声抑制和 PD / PSE 接地隔离,如表 1 所示。

可以明确的是,在汽车应用中,IEEEPoE已具备所有优势且无需任何额外成本。没有额外的接线,并可以使用现有的标准以太网磁性元件和现有的标准电源管理。同样地,汽车市场的价值定位也相当独特——即它是货真价实的“免费PoE”。

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