April 2014

Gleichtaktdrosseln für das Ethernet im Auto

Ungestört auf der Überholspur

Das Ethernet wird für High-Speed Multimedia-Infotainment in Fahrzeugen zusehends zum Netzwerkprotokoll der ersten Wahl. Die neuen TDK Gleichtaktdrosseln für Feldbussysteme wie CAN, FlexRay und Ethernet bieten beste Störunterdrückung und sind die weltweit kleinsten ihrer Art.

Das moderne Auto wird immer stärker geprägt von Satellitennavigation, Multimedia-Infotainment sowie Fahrerassistenzsystemen. Entsprechend wachsen die Anforderungen an die Bordsysteme rasant, besonders im Hinblick auf die Übertragungsgeschwindigkeit. Mit Datenraten von bis zu 1 Mbit/s hat sich CAN als Bussystem zur Vernetzung von Steuergeräten durchgesetzt, die für Zentralverriegelung, Sitzverstellung, Beleuchtung und Klimaanlage sowie für Displays genutzt werden. FlexRay dagegen eignet sich mit Datenraten von bis zu 10 Mbit/s gut für die Vernetzung in den Bereichen Antrieb, Fahrwerk und Sicherheit. Dazu gehören Steuergeräte für das ABS-System, die Servolenkung, das Getriebe und den Motor (Abbildung 1).

Abbildung 1: TDK Gleichtaktdrosseln für Bussysteme in Kraftfahrzeugen

Das Ethernet ermöglicht die Vernetzung von Multimedia- und Infotainment-Systemen in Kraftfahrzeugen, einschließlich der Kameras von Fahrerassistenzanwendungen und der Navigationssysteme.

Die Bussysteme CAN und FlexRay wurden allerdings nicht für die hohen Übertragungsraten entwickelt, wie sie für neue Multimedia-Infotainment-Anwendungen benötigt werden. Zudem handelt es sich bei der Vielzahl der aktuell genutzten Netzwerke im Wesentlichen um Insellösungen mit jeweils eigenen Leitungen und Steuersystemen, die nicht miteinander kommunizieren können. Das Ethernet bietet den Automobilherstellern jetzt den Vorteil, dass es als Backbone für ein Netzwerk aus Netzwerken dienen kann und daher elegantere Architekturen ermöglicht.

Aus diesen Gründen unterstützen viele der weltweit führenden Automobilhersteller und Elektronikzulieferer das Ethernet als Standard für Vernetzungsanwendungen in Kraftfahrzeugen. Als Vernetzungsprotokoll für Computer, Peripheriegeräte, Kommunikationsgeräte und Multimedia ist das Ethernet heute ohnehin bereits etabliert.

Skalierbare Vernetzung bis 100 Mbit/s

Das Automotive-Ethernet, das Datenraten bis 100 Mbit/s unterstützt, ist auf dem bestem Weg, sich bei Multimedia-Infotainment-Anwendungen in Kraftfahrzeugen als das Netzwerkprotokoll der ersten Wahl durchzusetzen. So kommt es bereits bei einigen Diagnoseanwendungen zum Einsatz. Zudem ermöglicht das Ethernet skalierbare Lösungen. Dies ist ein grundlegender Vorteil, da die benötigte Bandbreite für Bordnetzwerke kontinuierlich ansteigt. So wird von künftigen Modellgenerationen eine qualitativ hochwertige Kameratechnik für den Spurwechsel genauso erwartet wie die Unterstützung von Smartphones und Tablets, die mit hohen Datenraten über WLAN, UMTS und LTE miteinander kommunizieren.

Die Fahrzeugbauer legen ihr Augenmerk zunehmend auch auf Größe und Gewicht der Verkabelung. Hier bietet das Ethernet für Kraftfahrzeuge den besonders attraktiven Vorteil, dass es leichte, ungeschirmte Doppeladern (UTP) verwendet. Damit ist es Autoherstellern möglich, Abmessungen und Gewicht der Bordverkabelung wesentlich zu verringern und somit die Energieeffizienz der Fahrzeuge zu verbessern.

EMV als Herausforderung

Beim Übertragen, Empfangen und Verarbeiten elektronischer Signale und Daten ist die Störunterdrückung eine der wichtigsten Aufgaben. Im Fahrzeug verbindet das Ethernet die Funktionsblöcke moderner Systeme mit sehr hoher Signalgeschwindigkeit über Kabel und Kabelbäume. Eine zuverlässige High-Speed-Datenüberübertragung erfordert eine hohe Störunterdrückung und gleichzeitig eine niedrige Signaldämpfung. Zusätzlich verlangen UTP-Kabel besondere EMV-Schutzmaßnahmen. Daher sind die Spezifikationen des neuen Ethernet-Standards für Kraftfahrzeuge in Bezug auf die Gleichtakt-Störunterdrückung wesentlich anspruchsvoller als bei CAN oder FlexRay.

Die Störunterdrückung wird von Gleichtaktdrosseln an den Ein-/Ausgängen der Steuergeräte gewährleistet. Diese Bauelemente sind unverzichtbar – zum einen für die Unterdrückung der von den Systemen ausgehenden Störstrahlung und zum anderen für den Schutz der Systeme vor eingehender Störstrahlung (Abbildung 2).

Abbildung 2: Funktionsweise der Gleichtaktdrossel für das Ethernet in Kraftfahrzeugen

Gleichtaktdrosseln schützen die elektronischen Steuergeräte vor eingehenden elektromagnetischen Störungen und unterdrücken die über die ungeschirmten Doppeladern (UTP) abgegebene Störstrahlung.

Überlegene Gleichtakt- Rauschunterdrückung

Um den strengen Anforderungen an das Ethernet in Kraftfahrzeugen nachzukommen, hat TDK die ACT-Baureihe von Gleichtaktdrosseln für Signalleitungen in Kraftfahrzeugen um die neuen ACT45L-Typen erweitert. Sie bieten die derzeit beste Gleichtaktstörunterdrückung. Je höher die Störunterdrückung, desto besser die Leistung der Gleichtaktdrossel. Dank der eingesetzten modernen Technologien ist die Störunterdrückung der ACT45L in einem breiten Frequenzbereich bis 100 MHz um 15 dB bis 25 dB besser als bei herkömmlichen Drosseln (Abbildung 3). Die neue Baureihe bietet eine Nenninduktivität von 100 µH bis 200 µH und kann in einem breiten Temperaturbereich von −40 °C bis +105 °C betrieben werden.

Abbildung 3: Gleichtaktstörunterdrückung der Baureihe TDK ACT45L

Die Gleichtaktstörunterdrückung (Symmetrieparameter) der neuen Baureihe TDK ACT45L ist weitaus besser als vom Standard gefordert. Über einen breiten Frequenzbereich bis 100 MHz ist die Drossel um 15 dB bis 25 dB besser als herkömmliche Bauelemente.

Kleinste Gleichtaktdrossel für das Automotive-Ethernet

Mit Abmessungen von 4,5 × 3,2 mm² und einer Einbauhöhe von nur 2,8 mm ist die miniaturisierte Baureihe ACT45L die aktuell kleinste Gleichtaktdrossel für das Ethernet in Fahrzeuganwendungen. Verglichen mit vorhandenen Technologien beansprucht die neue Drossel 73 Prozent weniger Platz und das Volumen ist sogar um 84 Prozent gesunken (Abbildung 4).

Abbildung 4: TDK bietet die weltweit kleinste Gleichtaktdrossel für das Ethernet in Fahrzeuganwendungen

Miniaturisierungssprung: Die TDK ACT45L ist erheblich kleiner als eine Drossel, die aus konventionellen Materialien besteht und manuell gewickelt wird. Die Fertigung erfolgt mit modernsten Materialien und automatischen Wickelprozessen.

Entwickelt für die vollautomatische Produktion

Bei der Entwicklung der neuen Baureihe ACT45L stand als wichtiges Ziel ein vollautomatischer Fertigungsprozess im Vordergrund, wie ihn Abbildung 5 darstellt. Am Anfang steht der rechteckige Spulenträger (DR-Kern), der aus einem Ni-Zn-Ferrit besteht. Dann folgen zwei automatische Wickelprozesse und das Anschließen der Endelektroden an den Kern. Im letzten Schritt wird die Ferritplatte (SP-Kern) mit einem sehr temperatur- und feuchtebeständigen Kleber mit dem DR-Kern verbunden, um den magnetischen Kreis zu schließen. Die neuen Bauelemente sind nach AEC-Q200 qualifiziert und zeichnen sich durch ihre hohe Zuverlässigkeit und gleichbleibende Qualität aus.

Abbildung 5: Design für die vollautomatische Fertigung

Die Baureihe TDK ACT45L wurde für die vollautomatische Fertigung entwickelt. Nach dem Aufbringen der beiden Wicklungen und der Endelek­troden auf dem rechteckigen DR-Kern wird dieser mit einem temperatur- und feuchtebeständigen Kleber mit dem SP-Kern verbunden.

Lückenloses Angebot an Drosseln

Die neuen Drosseln gehören zu dem wachsenden und äußerst vielseitigen TDK Portfolio von leistungsstarken EMV-Komponenten für Netzwerke in Kraftfahrzeugen (siehe Tabelle). Unter anderem hat TDK die vorhandenen Baureihen von Gleichtaktdrosseln ACT45B für CAN und ACT45R für FlexRay um die miniaturisierte Baureihe ACT1210 für CAN/FlexRay erweitert. Mit kompakten Abmessungen von nur 3,2 × 2,5 × 2,4 mm3 sind diese Bauelemente die derzeit kleinsten Gleichtaktdrosseln auf dem Markt. Ihr Flächenbedarf ist etwa 45 Prozent geringer als der vergleichbarer Typen und das Volumen konnte um mehr als die Hälfte reduziert werden. Die Drosseln sind für einen breiten Temperaturbereich von −55 °C bis +150 °C ausgelegt.

Tabelle: TDK Gleichtaktdrosseln für Bussysteme in Kraftfahrzeugen

BaureiheACT45L (NEU)ACT45R ACT45B ACT1210 (NEU)
AnwendungEthernet in FahrzeugenFlexRayCANCAN / FlexRay
Abmessungen [mm]4,5 × 3,2 × 2,83,9 × 2,5 × 2,5
Gleichtakt-Impedanz
[Ω] min. *
10000 ***2200300 bis 2000300 bis 2200
Gleichtakt-Induktivität
[µH] **
20010011 bis 100
Gleichstromwiderstand
[Ω] max.
4,51,50,6 bis 2,00,4 bis 1,5
Isolationswiderstand
[MΩ] min.
10
Nennstrom
[mA DC] max.
1000,20,15 bis 0,25150 bis 300
Nennspannung
[V DC] max.
5080

* bei 10 MHz
** bei 100 kHz (+50/-30 Prozent)
*** Referenzwert, nicht spezifiziert

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