Murata FAS-Rauschunterdrückungsmaßnahmen für 1000Base-T1

Signalübertragung durch Automotive-Ethernet

Ethernet- und andere Automotive-Schnittstellen nutzen Differential-Übertragungssignale, die minimale Emissionen aufweisen und den Auswirkungen von externem Rauschen standhalten. Obwohl das externe Rauschen oftmals in beide Differential-Übertragungssignalleitungen in gleicher Weise eindringt, beeinflusst dies nicht ihren Unterschied und diese Leitungen bieten trotzdem einen hohen Widerstand gegen externes Rauschen. Ein weiterer Vorteil: Da die Signalleitungen paarig angeordnet sind, schwächen sich alle durch die Signalströme erzeugten Magnetfelder untereinander ab. Daher ist es schwierig, das Rauschen extern abzustrahlen.

Rauschprobleme im Automotive-Ethernet

Wenn aufgrund verschiedenster Faktoren ein Gleichtaktstrom erzeugt wird, können in Differential-Übertragungsleitungen (bei denen in der Regel kein Rauschen erzeugt wird) trotzdem Rauschprobleme auftreten.

Gleichtakt-Rauschfaktoren

Ein Merkmal von Differential-Übertragungsleitungen ist, dass in der Regel kein Gleichtaktrauschen erzeugt wird. Wenn jedoch zwischen beiden Leitungen ein Versatz (Zeitdifferenz) oder eine Amplitudendifferenz in den Signalen entsteht, geht der Signalabgleich zwischen beiden Leitungen verloren. Dadurch wird Gleichtaktrauschen erzeugt.

Automotive-Ethernet-Rauschunterdrückung

Ethernet-Probleme
Es gibt Unterschiede zwischen den im Ethernet verwendeten Kabeln und den Kabeln für HDMI, USB und anderen Standards.

HDMI-, USB- und ähnliche Kabel verfügen über ein Paar, das aus einer Signalleitung und einer separaten Erdleitung besteht. Auch wenn ein Gleichtaktstrom fließt, fließt dieser Strom durch die Erdleitung und wieder zurück. Daher hebt sich das durch den Gleichtaktstrom erzeugte Magnetfeld auf und es entstehen in der Regel keine Rauschemissionen.

Ethernet-Kabel hingegen haben keine Erdleitung. Daher ist der Strompfad, auf dem der Gleichtaktstrom zurückfließt, eine Erdleitung mit Streukapazität und Rauschemissionen werden in der Regel einfacher erzeugt.

Gleichtakt-Drosselspule

Eine Gleichtakt-Drosselspule (CMCC) ist in Rauschunterdrückungsmaßnahmen für Automotive-Ethernet und andere Differential-Übertragungen wirksam.

Die Drosselspule wird durch das Wickeln von zwei Leitungen in entgegengesetzte Richtungen um einen gemeinsamen Kern gebildet. Die magnetischen Ströme, die von beiden Leitungen für den Differential-Modus-Strom erzeugt werden, schwächen sich gegenseitig ab und es gibt keine Auswirkungen auf den Differentialstrom. Die magnetischen Ströme, die von beiden Leitungen für den Gleichtaktstrom erzeugt werden, verstärken sich gegenseitig und fungieren als Induktivität. Aufgrund dieser Aktion kann das Gleichtaktrauschen wirksam gedämpft werden, ohne dass die Differentialsignale beeinträchtigt werden.

Verwendung von CMCCs im Automotive-Ethernet

Der Ausgleich der CMCC ist im Automotive-Ethernet wichtig. Wenn es Unterschiede bei den Längen oder Wicklungen der beiden Leitungen gibt, welche die CMCC enthalten, könnte eine Unsymmetrie des Stroms entstehen. Dies könnte zu einer Modusumwandlung führen und zur Erzeugung von Gleichtaktrauschen beitragen. Aus diesem Grund muss eine CMCC ausgewählt werden, die für die Aufrechterhaltung des Ausgleichs beider Leitungen ausgelegt ist.

Die DLW32MH101XT2 CMCC von Murata eignet sich hervorragend für die 1000Base-T1 Rauschunterdrückung. Die Spule verfügt über einen Impedanzwert, der auf der Verwendung in 1000Base-T1 basiert, und ein Ausgleichsdesign, um das Auftreten einer Modusumwandlung zu verhindern.

DLW32MH101XT2

Die DLW32MH101XT2 CMCC bietet drei Hauptmerkmale:
        •  Wirksam zur Unterdrückung von Rauschen, das von Signalleitungen in Automotive-Netzwerken emittiert wird.
        •  Vollständig kompatibel mit dem 1000Base-T1 Automotive-Ethernet-Standard
        • -40 °C bis +125 °C Betriebstemperaturbereich für Automobilapplikationen

Verhindert leitungsgeführte Emissionen

Leitungsgeführte Emissionsmessbedingungen
Die leitungsgeführten Emissionen wurden mit einem 1000Base-T1 EMV-Testboard gemessen (150-Ω-Verfahren).

Vergleich der Rauschdämpfungsergebnisse

Das Gleichtaktrauschen wird von der Signalleitung auf dem 1000Base-T1 EMV-Testboard ausgegeben. Die Messung wird mit einem EMI-Empfänger durchgeführt. In dieser Studie wurden die CMCCs zum Vergleich des Rauschens geändert.

In Emissionsprüfungen verwendete CMCC

Für Test-CMCCs verwendete Murata die DLW32MH101XT2 (CMCC für 1000Base-T1). Für Vergleichszwecke wurden die DLW43MH201XK2 (CMCC für 100Base-T1) und die DLW32SH101XK2 (CMCC für CAN) verwendet.

Messergebnisse

Die Ergebnisse der durchgeführten Emissionsmessungen zeigen, dass die DLW32MH101XT2, die für 1000Base-T1 ausgelegt ist, das Rauschen am effektivsten reduziert und die Grenzwerte eingehalten hat. Die DLW43MH201XK2 und DLW32SH101XK2 konnten das Rauschen nicht ausreichend reduzieren, um die Grenzwerte einzuhalten.

Rauscherzeugungsmechanismus

Es wird angenommen, dass die verschiedenen Rauschunterdrückungsergebnisse der CMCCs auf die Umwandlungseigenschaft des Modus Ssd12 der CMCC zurückzuführen ist (Abbildung 1, unten). Wenn der Ssd12-Wert hoch ist, wird ein hoher Anteil der Differentialmodus-Signale, die eingegeben wurden, in Gleichtaktrauschen umgewandelt. Dadurch erhöhte sich der Rauschpegel.

Rauschunterdrückung – Hauptpunkte

Die Ergebnisse der leitungsgeführten Emissionsmessung zeigen an, welche Menge an Gleichtaktrauschen durch den Scc21 bei niedrigen Frequenzen reduziert werden kann. Ferner wird deutlich, wie viel von der Menge, die in den Gleichtakt umgewandelt wird, bei hohen Frequenzen durch die Umwandlungseigenschaft des Ssd12-Modus reduziert werden kann.

Hinweise zum Boarddesign

Die Hauptpunkte für das Board-Design wurden durch die CMCC-Evaluierungen (Abbildung 2, unten) dargelegt. Wenn die gleiche CMCC-Probe für 1000Base-T1 unter den gleichen Bedingungen auf dem Testboard installiert wurde, waren die Rauschpegel unterschiedlich. Darüber hinaus wurde ein fehlerhaftes Ergebnis bei einem der Boards festgestellt. (Hinweis: Fehlerhafte Ergebnisse sind für einige Zustände der Testboards möglich, auch wenn die CMCC-Proben identisch sind.)

Als die Übertragungswegeigenschaften auf dem Board analysiert wurden, stellte Murata Unterschiede in den Umwandlungseigenschaften des Modus auf der CMCC-Ausgangsseite fest und dass die Werte für das Board Nr. 2 hoch waren (Abbildung 3, unten).

Ein wahrscheinlicher Faktor in den verschiedenen leitungsgeführten Rauschpegeln der Boards war, dass die Differential-Modus-Signale nach Durchlaufen durch die CMCC in ein Gleichtaktrauschen auf dem Board umgewandelt wurden (Abbildung 4, unten).

Zu den Hauptpunkten für das Auftreten der Modusumwandlung (Abbildung 5, unten) gehören der Widerstand an der CMCC-Ausgangsseite, bei Kondensator und Boardverkabelung. Es wird davon ausgegangen, dass es aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften dieser Komponenten zu Abweichungen kommt.Aus diesem Grund muss auch bei den Bereichen außerhalb der CMCC sorgfältig darauf geachtet werden, dass der charakteristische Ausgleich zwischen den Leitungen erhalten bleibt.

Leitungsgebundene Emissionen in 100Base-T1

Bei Durchführung der gleichen leitungsgeführten Emissionsmessungen für 100Base-T1 wurden die Grenzwerte bei Verwendung der DLW32SH101XK2 für CAN überschritten. Die DLW43MH201XK2, die für 100Base-T1 ausgelegt ist, war jedoch ausreichend zur Reduzierung des Rauschens wirksam, sodass die Grenzwerte eingehalten werden konnten.

100Base-T1 gegenüber 1000Base-T1

Die im Differentialmodus-Signal enthaltene Frequenzkomponente unterscheidet sich zwischen 100Base-T1 und 1000Base-T1 (Abbildung 6, unten). Daher sind die erforderlichen Umwandlungseigenschaften des Modus ebenfalls unterschiedlich. Aus diesem Grund muss eine CMCC ausgewählt werden, die für die Erfüllung des jeweiligen Standards ausgelegt ist.

Prüfung von Störfestigkeitsmaßnahmen (DPI)

Eine Prüfung der direkten Leistungsaufnahme (DPI) wurde mit dem gleichen 1000Base-T1 EMV-Testboard wie dasjenige für leitungsgeführte Emissionen durchgeführt.

Prüfverfahren

Das Gleichtaktrauschen wird von einer externen Quelle zur Signalleitung auf dem 1000Base-T1 EMV-Testboard abgeleitet. Mit einem Steuer-PC wird überprüft, ob Kommunikationsfehler aufgetreten sind.

In DPI-Tests verwendete CMCC

In gleicher Weise wie die leitungsgeführten Emissionen verwendete Murata die DLW32MH101XT2 (CMCC für 1000Base-T1), DLW43MH201XK2 (CMCC für 100Base-T1) und DLW32SH101XK2 (CMCC für CAN) als Test-CMCCs.

1000Base-T1 DPI-Prüfergebnisse – 1

Bei niedrigen Frequenzen von 2 MHz und weniger weisen die CMCCs Unterschiede in den Leistungsstufen auf. Bei anderen Frequenzen gab es jedoch keine Unterschiede bei der Leistung und alle CMCCs konnten die Grenzwerte einhalten.

1000Base-T1 DPI-Prüfergebnisse - 2

Es wird vermutet, dass die Unterschiede in den CMCCs bei 2 MHz und weniger auf die Gleichtaktdämpfung (Scc21) zurückzuführen ist. Unterschiede bei den Umwandlungseigenschaften des Modus hatten keine Auswirkungen auf die Ergebnisse der DPI-Prüfung.

Prüfung von Störfestigkeitsmaßnahmen (DPI) – Hauptpunkte

100Base-T1 DPI-Testergebnisse
Nach 1000Base-T1 wurde die DPI-Prüfung auch für 100Base-T1 durchgeführt. Die CMCC für 100Base-T1 konnte die Grenzwerte einhalten. Die CMCC für CAN wies jedoch bei niedrigen Frequenzen von 1 MHz und weniger eine schlechtere Leistung als die CMCC für 100Base-T1 auf. Darüber hinaus konnte sie die Grenzwerte bei 8 MHz bis 60 MHz nicht einhalten und die Prüfung nicht bestehen (Abbildung 7, unten).

Es wird vermutet, dass die Unterschiede von 2 MHz und weniger auf die Gleichtaktdämpfung (Scc21) zurückzuführen ist. Darüber hinaus wird angenommen, dass die Unterschiede bei 8 MHz bis 60 MHz auf die Umwandlungseigenschaften des Modus zurückzuführen sind (Abbildung 7, unten).

Rauscheingangsmechanismus

Ein Faktor, warum die Umwandlungseigenschaften des Modus der CMCC die Testergebnisse für 100Base-T1 beeinflusst haben, besteht darin, dass das von einer externen Quelle eingegangene Gleichtaktrauschen in ein Differential-Modus-Rauschen umgewandelt wurde. Dieser Prozess verzerrte die Signalwellenform, was zu einem Kommunikationsfehler führte.

Hinweise zum Boarddesign

Ebenso wie für leitungsgeführte Emissionen kann dies zusätzlich zur CMCC durch eine Umwandlung des Modus aufgrund von Abweichungen auf dem Board verursacht werden (Abbildung 9, unten). Daher ist eine sorgfältige Beachtung dieses Punktes für das Board-Design erforderlich.

Fazit

        •  Für den Automotive-Ethernet-Standard 1000Base-T1 ist eine hohe Leistungsfähigkeit in den CMCCs erforderlich, die für die Rauschunterdrückung verwendet werden. Die Umwandlungseigenschaften des Modus sind besonders wichtig.
        •  Bei der Evaluierung von leitungsgeführten Emissionen wird eine CMCC mit Umwandlungseigenschaften des Modus, welche die erforderlichen Werte für 1000Base-T1 erfüllen, zur Unterdrückung des Rauschens benötigt. Die Grenzwerte können bei der Verwendung von CMCCs für CAN oder für 100Base-T1 nicht erreicht werden.
        •  Selbst in der CMCC für 1000Base-T1 können sich die Umwandlungseigenschaften des Modus aufgrund von Abweichungen im Boarddesign und den installierten Komponenten verschlechtern, was zu einem zusätzlichen Rauschen führt. Daher ist eine sorgfältige Beachtung dieses Punktes für den Designprozess erforderlich.
        •  Bei der DPI-Prüfung, bei dem es sich um eine Immunitätsprüfung handelt, ist die erforderliche Leistung für die CMCC niedriger als die für leitungsgeführte Emissionen. Der Rauschwiderstand variiert jedoch durch die PHY. Daher wird diejenige mit geringen Umwandlungseigenschaften des Modus bevorzugt.

Empfohlene CMCCs

Für 1000Base-T1: DLW32MH101XT2L
•  Wirksam zur Unterdrückung von Rauschen, das von Signalleitungen in Automotive-Netzwerken emittiert wird.
        •  Vollständig kompatibel mit dem 1000Base-T1 Automotive-Ethernet-Standard
        •  Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C für Fahrzeuganwendungen

Für 100Base-T1: DLW43MH201XK2L
        •  4,5 mm (L) x 3,2 mm (B) x 2,7mm (H), Maßtoleranz von ±0,2 mm
        •  Verfügt trotz seiner kompakten Größe über eine Gleichtakt-Induktivität von 200 μH (bei 0,1 MHz)
        •  Wesentliche Verbesserung bei den Umwandlungseigenschaften des Modus

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