Innovative Bordnetzsysteme  Ungeschirmte Steckverbinder für Gigabit-Ethernet

Eine sichere Umfeld-Erkennung mit multiplen Sensoren, ein leistungsstarkes Backend zur Vernetzung und die fehlertolerante Systemauslegung sind der Schlüssel für hochautonome Fahrzeuge.
Eine sichere Umfeld-Erkennung mit multiplen Sensoren, ein leistungsstarkes Backend zur Vernetzung und die fehlertolerante Systemauslegung sind der Schlüssel für hochautonome Fahrzeuge.

Während sich Systeme für 100 Mbit/s bereits im Fahrzeug etabliert haben, ist hinsichtlich der nächsten Geschwindigkeitsklasse von 1 Gbit/s die EMV weiter eine Hürde. Erfüllt der MATEnet von TE Connectivity die EMV-Anforderungen? 

Durch den Paradigmenwechsel von domänenbasierten hin zu service- bzw. zonenbasierten Architekturen ersetzen Zonencontroller zunehmend die Zentral-Gateways. Die Zonencontroller wiederum übersetzen die diversen Schnittstellen. Ethernet bietet hierbei mit Geschwindigkeitsklassen von 100 Mbit/s und 1 Gbit/s ausreichend Flexibilität und Bandbreite, um viele Funktionen von Domänen, wie Leistungsstrang, Vehicle-Dynamics, Komfort oder HMI in solchen (wenigen) Controllern zusammenzufassen und an zentrale, hochintegrierte Units anzuschließen.

Weil dabei der Anteil von Ethernet-Verbindungen signifikant steigt, wird eine ökonomische Verkabelung angestrebt. Auch moderne SoCs (System on Chip), die millionenfache Paralleloperationen rechnen, erhalten zunehmend Ethernet-Schnittstellen. Weiter setzen Halbleiterhersteller auf integrierte PHYs, bei denen diskrete Elemente wie ESD-Schutz, Filter und Drosseln direkt auf dem Silizium integriert werden. Dies wiederum reduziert die Designkomplexität der HF-Pfade und verkürzt Entwicklungszeiten. Durch einheitliche Herstellungsprozesse sind R, L, C einstellbar und PHY-Schnittstellen übertragen Signale besser. Der gesamte Halbleitermarkt ist dabei hinsichtlich der Spezifikation zur Implementierung von Leitungssätzen entscheidend für das Bordnetz der Zukunft. Zu guter Letzt kommt es auch auf die konkrete Architektur des Gerätes an.

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TE Connectivity

Eine sichere Umfeld-Erkennung mit multiplen Sensoren, ein leistungsstarkes Backend zur Vernetzung und die fehlertolerante Systemauslegung sind der Schlüssel für hochautonome Fahrzeuge.

Die nächste Ethernet-Generation kommt

Nunmehr ist die Einführung der nächsten Ethernet-Generation mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s in vollem Gange und erweitert damit die automobile Netzwerkstruktur um einen weiteren Standard. Durch Fertigstellung des global gültigen IEEE-Standards 802.3bp im Jahre 2015 wurden in den zurückliegenden drei Jahren Chips, die diesem Standard entsprechen, entwickelt. Ebenso hat die OPEN Alliance daraus Subspezifikationen für den automobilen Markt herausgebracht, die nunmehr Basis für die Implementierung ins Fahrzeug sind. Für die Anforderungen an die Bordnetzkomponenten stellte das Technische Komitee TC9 die Spezifikation für ungeschirmte, verdrillte Leitungen fertig. Ebenso wird die finale Spezifikation bezüglich Fallback-Optionen, wie geschirmter Leitungen, in Kürze erwartet. Durch die richtige Auswahl von Halbleiter, Gleichtaktdrosseln sowie Stecker und Leitungen lassen sich ungeschirmte Übertragungssysteme freigeben. TE Connectivitys MATEnet-Verbindungssystem konnte hierbei relevante Tests, etwa EMV nach CISPR25, erfüllen und ebnet damit den Weg zur kosteneffizienten Einführung. Die Qualifikation und die Freigabe nach gültigen automobilen Standards sind nunmehr an Serienprodukten abgeschlossen.

Messmethoden im Überblick

Eine heute geforderte, sinnvolle Erweiterung eines Steckerportfolios besteht in der skalierbaren Produktphilosophie, die bei MATEnet im Kern den Anschluss des Twisted-Pair-Moduls an verschiedene Leitungen ermöglicht. Dabei lassen sich optionale STP-Module bei gleichem Gerätestecker verwenden. Dieser Aufbau erlaubt es Kunden, bei kritischen Bauräumen auf eine hinsichtlich der EMV optimierte Lösung zu wechseln, ohne dabei aufwändige Hardwareänderungen am Gerät vorzunehmen. Entwicklungszeiten können somit im Voraus vermindert werden.
Schwerpunkt der Steckverbinderentwicklung ist der zu erreichende Zielkanal über ungeschirmte Leitungen. Um die EMV-Verbesserung zu messen, hat TE Connectivity den Gleichtaktanteil (Common Mode) am Ausgang der Stripline im Verhältnis zum differenziellen Nutzsignal als Transferfunktion charakterisiert. Diese Messmethode bietet Vorteile gegenüber dem Triaxialverfahren, weil der Testaufbau für ungeschirmte wie geschirmte Leitungen identisch ist. Hierbei kann die MATEnet-STP-Lösung eine gegenüber UTP um etwa 15 dB bessere Störunterdrückung erreichen. 

Zum Verifizieren der Methodik hat das Unternehmen auf Systemebene EMV-Messungen nach CISPR25 durchgeführt, wobei für leitungsbezogene Untersuchungen die Stripline-Messung Vorteile gegenüber der Antennenmessung bietet. Durch geeignete Steuergeräte mit 1000BASE-T1-Transceivern hat TE hierbei den Zusammenhang zwischen Transferfunktionen und einer aktiven EMV-Messung sichtbar gemacht. Für den konkreten Fall der Messung kann man aufgrund eines repräsentativen Limits davon ausgehen, dass Gigabit-Ethernet mit ungeschirmten Leitungen darstellbar ist. Weiter hat sich eine Verbesserung des EMV-Spektrums insbesondere im UKW- und im DAB-Band für geschirmte Leitungen ergeben, was Paralleldienste in benachbarten Bauräumen ermöglicht. Auf Basis dieser Untersuchungen können somit Freigaben für ungeschirmte als auch für geschirmte Leitungssätze erzielt werden.