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汽车特别报道:更快的巴士和具有挑战性的设计

2020年2月18日

汽车设计已经抓住了公众的想象力，他们的期望为在这个领域工作的工程师带来了无数的技术挑战。对于SI/PI/EMC/EMI工程师来说，由于恶劣的环境和拥挤的系统，车内的挑战是独一无二的。在这篇特别报道中，我们采访了五位汽车应用领域的专家，他们分别从事模拟/测试和测量(罗德施瓦茨，Keysight Technologies)、连接器(TE Connectivity, Samtec)和汽车芯片组设计(Valens)，以解决最新汽车应用的关键需求。

它不像一个服务器

众所周知，在汽车电子领域，可靠性和寿命是汽车设计中选择的关键因素，因此必须为这一应用专门设计组件。恶劣的环境，包括较大的温度变化(−40°C至+125°C)和振动，需要严格的规格。汽车EMC要求可能不太为人所知。电气模块被封装在一个非常紧凑的环境中，多个电子控制单元相互挨着。这就要求应用程序在设计时围绕严格的EMC、SI和容损预算，”TE Connectivity产品管理高级经理Huzefa Bharmal指出。

工程师需要重新考虑他们的过程设计和里程碑计划，如果他们习惯于为标准的消费产品进行设计。例如，Samtec汽车/运输全球销售经理吉姆•科赫指出:“随着时间的推移，所需的过程控制会导致额外的文档、测试和工程评审。”

这里也有一个电力的故事，因为汽车电子设备的所有电力都必须在本地产生和存储。Keysight Technologies汽车与能源解决方案负责人Fred Weiller表示，标准内燃机(ICE)使用与12v电池相关的单个电动母线，而混合动力汽车使用48v电池和母线。Weiller指出，对于ICE/交流发电机架构，重型电气负载要求系统能够承受许多电气瞬变和电气负载的变化，这些变化可能会影响车辆中的其他部件，特别是在空调打开时。

公共汽车速度在上升

理所当然，汽车里的电子设备(雷达、传感器、信息娱乐、安全等)越多，对带宽和速度的需求就越大。Valens营销副总裁Dana Zelitzki表示:“车载连接必须提供必要的速度，同时保证低延迟、高性能和抗电磁干扰(EMI/EMC)的最大弹性。Zelitzki指出，就速度而言，12gbps是市场更直接的目标，首先是为了满足相机和传感器的需求。然后，随着汽车在自动驾驶和设备数量方面的发展，带宽将随之增加，正如最近公布的MIPI联盟®的a - phy规范所建议的那样，该规范目前正在开发中，预计将支持16至24 Gbps的速度，路线图将达到48+ Gbps甚至更高。Valens的汽车技术是A-PHY连接标准的基础。

Zelitzki还指出，支持非压缩数据传输的需求也存在问题，特别是在高级驾驶辅助系统(ADAS)应用程序中，这些应用程序不能容忍与压缩相关的延迟。她指出，压缩还增加了整体架构的复杂性，从而增加了成本。

Rohde & Schwarz的汽车经理Nik Dimitrakopoulos博士指出，汽车以太网是IEEE 802.3和802.1组的规范，是一个可扩展和未来的标准。IEEE正在努力批准2.5/5/10 Gbps的规范，并与一些小组一起研究高达50 Gbps的数据速率。Dimitrakopoulos报道称，OPEN联盟(一个鼓励在汽车网络应用中广泛采用基于以太网的网络作为标准的行业组织)正在努力实现10 Gbps的速度，并有可能增长到40 Gbps。通过这项工作，他看到了传感器融合和高速电缆骨干的潜力。

此外，Dimitrakopoulos指出，如果10BASE-T1S能够实现标准化，它就有可能取代控制器区域网络(can)总线，使未来的车辆能够完全在汽车以太网上运行。然而，Weiller警告说，“在车辆中如此高的数据速率可能会带来新的挑战。例如，通道可用性加上极不稳定和嘈杂的EMC和EMI汽车环境，可能会导致考虑将光学链路作为电线的替代品。”

尽管采取了这种方法，所有人似乎都同意，将有必要在汽车中高速公共汽车。Bharmal报告了当前客户对高达25gbps的解决方案的需求，并指出原始设备制造商正在寻求使用高速总线来支持这一需求。作为参考，以60 FPS运行的4K摄像机传感器产生约12 Gbps的未压缩数据，用于探测的远程雷达产生约10 Gbps的未压缩数据。Koch对此表示同意，并指出，他已经在处理汽车OEM客户关于112 Gbps PAM4解决方案的信息请求，以预测下一代架构。

计算能力

自动驾驶或驾驶辅助技术的发展正在极大地改变对车内数据处理的要求，并将一些计算转移到云端。根据Dimitrakopoulos的说法，自动驾驶汽车预计每天处理4到5 tb的数据。大部分计算预计将在车内完成，一些数据将被卸载并由附近的网络(边缘计算)处理。能卸载多少计算可能取决于5G网络的能力。

Bharmal和Zelitzki指出，由于延迟和安全原因，汽车原始设备制造商更倾向于将关键的计算放在汽车内部，直到技术进步，更多的计算可以安全地转移到云端。考虑到这些因素，这是具有挑战性的:5级(L5)自治将需要超过25 Gbps来支持+4 tb /hr的数据生成。作为参考，特斯拉用于L3/L4自动驾驶的ADAS芯片设计为72万亿次操作/秒。ZF的ProAI RoboThink可以处理150万亿次操作/秒。NVIDIA Pegasus(正在为L4/L5开发)可以处理高达320万亿次操作/秒。

Zelitzki看到了人们对智能汽车架构的兴趣，他解释说，每个应用程序/设备都有自己的ECU/CPU，这增加了整个汽车架构的复杂性和成本。智能汽车架构将通过不同单元之间的高速、低延迟连接，实现汽车内的远程资源共享。此外，由于不同的应用程序和设备可以通过数据的远距离传输共享同一个计算单元，因此可以减少计算单元的数量。她的公司擅长将不同的接口(视频、数据、USB、PCIe、以太网)融合在一根电线上，所以他们对这种架构非常感兴趣。

除了这些考虑之外，科赫指出，“我们看到了一些蜂群思维系统——一辆车学会了什么，所有的车都学会了什么。这么大的数据量需要快速、低延迟的连接，而5G可以提供这种连接。”Weiller补充说，5G C-V2X等新标准和低延迟通信举措将使车载系统能够向边缘计算转移，而不会对关键ADAS应用的响应时间产生负面影响。

EMI和电源完整性

在所有联网汽车中，EMI都是一个主要问题，考虑到所涉及的功率和电缆数量，在电动汽车(EV)中更是如此。Bharmal观察到电动汽车中最大的EMI来源是功率转换器。出于这个原因，靠近高压堆栈甚至辐射天线的组件被设计成在不同的频率和阻抗水平下工作。

Weiller指出，当能量流向逆变器/发电机和电池时，电动汽车中的瞬态也可能是快速加速或减速的结果。DC:DC变换器从电池中获取高压，并将其转换为其他组件使用的低电压(通常为12v)，保护车辆中的其余电路。

根据Koch的说法，汽车EMI工程师需要专注于低频磁干扰和高频数字发射。他补充说，低频EMI设计通常倾向于单点接地系统，而高速数字则尽可能多地采用多点。

Zelitzki解释说，减少电缆、连接器和设备的数量可以提高抗EMI的弹性。在电动汽车运行期间，数百安培的电流可以从汽车的前面流到后面。这种大电流在汽车的不同ecu之间产生电压降。具体来说，她指出，这些电压降可能导致高达6a的电流通过数据电缆的屏蔽，这可能会破坏传输通道的完整性。瓦伦斯的方法是使用非屏蔽双绞线(UTP)电缆，他们说这可以防止此类问题的发生。

未来安全系统

人们的共识是，未来的汽车在向L5级自动驾驶发展的过程中，将同时使用雷达和摄像头，在成本和效率(安全)之间进行权衡。

Dimitrakopoulos是这样总结的:雷达和相机是互补的传感技术。雷达可以抵御雨雪，并且可以即时测量移动物体的速度，而相机具有更高的分辨率，有利于物体探测。这两种技术将同时用于360度环绕感测。

Weiller指出，77至81 GHz雷达的可用性极大地提高了其区分较小物体的能力。雷达技术的主要优势是它不受天气和光线的限制，因此它提供了相机领域所没有的一致性和可用性。

Weiller说:“最终，这不是一个非非之别的问题，而是多种技术的多个传感器的丰富组合，提供了一组重叠的数据点，使车辆的人工智能(AI)受益，就像人类受益于来自视觉、听觉和触觉互补感官的信息一样，以评估他们的环境并做出最佳决策。”

测试和测量愿望清单

设计和技术的转变通常需要新的测试和测量方法，未来的汽车也不例外。当然，标准机构正在协助解决这一问题，但我们询问了非t&m小组成员，他们从自己的角度希望得到什么。

巴尔马尔:可以进行车辆水平测试的EMC室以及可以在高频下工作的多端口VNA将非常有帮助。此外，能够在高温和振动下进行现场测试的环境室也很重要。

Zelitzki:我们今天在测试中看到的一个主要问题与仪器的类型关系不大，而是与测试标准本身有关。我们认为，考虑到预期的带宽增加，更多的应用程序和设备，我们需要更严格的测试指南来保证安全性和性能。

Koch:汽车以太网需要根据IEC62153-4-7进行筛选衰减和耦合衰减测试。测试所需的齿轮包括一个三轴夹具，这是大多数SI实验室没有的东西。这些测试需要“工匠”级别的细节注意，以确保屏蔽端部是可重复的，并具有典型安装的代表性。简化这些测试的测试设备和系统将受到开发和生产级测试的欢迎。

对于新兴的10G汽车以太网和−65 dB的SDC11要求，有一些具体的测试和测量问题，具体来说，我们将如何进行测量?科赫和巴尔马尔帮助构建了这个问题。“从Samtec的角度来看，这些都是非常严格的模式转换要求。随着时间的推移，保持该领域的这种平衡水平对整个行业来说将是一个挑战。”Bharmal补充道:“随着我们向基于10G汽车以太网的安全应用迈进，适当的测量和测试将至关重要。需要专门的生产线末端测试仪和夹具来测量和鉴定产品。高频VNA校准将是一个巨大的挑战，但我相信我们会找到方法来自动化这一过程，以确保每次都能重复和可靠的性能。”

他的信心与我们的T&M小组成员的回答相匹配，“到目前为止，10G汽车以太网仍在讨论中;该标准预计将在2020年年中的某个时候发布。对于测量10GBASE-T1，需要更高带宽的示波器和VNA。R&S通过提供高端和高精度设备，为工程师提供正确的工具，以帮助他们应对新的挑战，”Dimitrakopoulos说。

Weiller指出，Keysight在VNA/组件测试领域拥有数十年的测量和校准专业知识，提供电子和机械标准开短负载(OSL)校准套件，“使客户能够确保测量平面在任何测试夹具的末端，而不是在分析仪端口本身。”该公司还支持更先进的校准技术，如夹具拆卸/晶圆/探头校准和多个混合器校准技术，以提高测量的可靠性和可重复性。

下一步是什么?

总而言之，汽车设计对部件可靠性的要求(10年与几年)与普通消费应用有着显著不同。实现必要的可靠性以避免灾难性故障是一项挑战，而自动驾驶汽车将变得更加困难。

Bharmal认为，最大的挑战之一可能是在大规模生产中实现高可靠性。他指出，这些产品是根据汽车电子委员会(AEC)的可靠性要求设计的，并根据IATF 16949指南制造。随着我们向完全自动驾驶的方向发展，汽车将全天候不间断地运行，在恶劣的汽车环境下模拟40万英里的运行里程，可靠性要求将非常严格。

Weiller担心的是，如果没有行业范围内的标准机构和政策，将很难确保所有测试都按照相同的高标准执行。他的团队积极参与多个标准组织，如汽车雷达ETSI和汽车以太网开放联盟，以推动行业层面的标准化测试。这一点很重要，因为在最坏的情况下，一个关键的系统故障可能会导致事故，或者装有大电池的电动汽车起火。在工业应用中，故障可能会影响成本和时间，但不会影响寿命。因此，可靠性和质量在汽车应用中至关重要。适当分割的电气系统，为安全起见，有冗余，是一项设计要求。如果所有系统从同一电气总线运行，一个故障就会影响所有系统，对自动驾驶汽车产生不利后果。对于电动汽车用于驱动动力系统的功率模块，晶体管需要经过认证，并且在可能导致灾难性故障的条件下是可靠的。

对健全标准的需求是一个全球性问题。Dimitrakopoulos报道称，汽车行业，尤其是德国，对安全的要求比消费行业高得多。他指出，欧盟发起了一项名为“零愿景”的计划，旨在到2050年实现道路交通零严重伤害。“如果没有在功能安全(汽车标准称为ISO 26262)、安全措施和先进的驾驶辅助系统方面的大力努力，就无法实现‘零愿景’。”

从事当前和下一代汽车应用设计的工程师面临着一个明显的挑战，但他们似乎意识到在这一过程中可能会遇到的障碍。