（本文編譯自Electronic Design）

數據線供電（PoDL）與單對以太網（SPE）是汽車向以數據為中心的電動汽車轉型過程中的下一步舉措。隨著現(xiàn)代汽車集成的以數據為中心的傳感器和子系統(tǒng)數量不斷增加，其產生的數據量已超出傳統(tǒng)設計所能高效處理的范圍。與此同時，汽車制造商還面臨著盡可能減輕重量以降低成本的壓力。

PoDL與SPE相結合，是一種旨在應對這兩大挑戰(zhàn)的新興技術。

SPE和PoDL的創(chuàng)新成果

“車輪上的數據中心”這一概念的形成，得益于多項早期的技術進步，包括區(qū)域控制、更高電壓導線以及SPE。如今的汽車面臨著一項獨特挑戰(zhàn)：車輛各處分布著大量設備，各子系統(tǒng)之間需要實現(xiàn)通信。

傳統(tǒng)的域控制策略為每個子系統(tǒng)分配獨立的通信總線，這些總線貫穿整車。這種方式雖布局更簡單直觀，但會導致大量粗大的導線并行排列，需要長且厚重的線纜包裹。

相比之下，區(qū)域控制并非按設備功能，而是按設備位置來解決這一問題（如圖1所示）。區(qū)域控制將特定區(qū)域（如發(fā)動機艙、后備箱、左前車門）內的所有設備整合到一根連接至中央計算機的線纜上，類似“中心-輻射”模式。這種設計大幅降低了布線復雜度、減輕了重量，并提高了可維護性。

圖1：區(qū)域控制例圖

另一項降低布線成本的進展是提高電力線的電壓（例如采用24伏或48伏代替12伏）。假設受電設備保持不變且需要相同的電功率（功率=電流×電壓），那么將電壓翻倍或增至四倍，導線中的電流將分別減半或降至四分之一。

流經導線的電流與其線徑成反比。根據歐姆定律（電流=電壓÷電阻），如果電流大幅降低，導線就可以做得更細，從而同時減輕重量并降低成本。

促成PoDL的最后一項技術進展是單對以太網（SPE）的問世。與其他布線方式（控制器局域網或多對雙絞線以太網）相比，SPE能滿足汽車通信的特定需求。

采用1000BASE-T1協(xié)議的SPE數據傳輸速率可達1 Gb/s，是CAN FD實施方案的100倍，能夠實現(xiàn)更快、更智能的通信。憑借這一特性，再加上與常規(guī)的兩對或四對雙絞線以太網相比更輕的重量，SPE能夠高效傳輸數據，同時顯著減輕重量。

PoDL中的過壓和過流保護

PoDL將電力和數據整合到同一根導線中。其工作原理類似于以太網供電（PoE），不同之處在于它使用的不是四對雙絞線以太網電纜，而是單對雙絞線（即SPE）。

在供電設備（PSE）端，直流電源信號與高頻、低壓數據信號相耦合。而在受電設備（PD）端，直流信號和數據信號會被相互隔離。隨后，直流電壓被輸送至DC-DC轉換器，為相關子系統(tǒng)提供所需電力。

圖2展示了用于構成耦合去耦網絡（CDN）的電容器和電感器。電容器用于從數據信號中去除所有直流電源，電感器則用于過濾掉電力線中的所有高頻信號。

圖2：SPE與PoDL結合的簡易示意圖

盡管SPE和PoDL能高效傳輸數據與電力，但它們必須得到保護，以防范任何過壓或過流事件。配備PoDL的SPE通過三個保護措施來解決這一問題。第一包括對供電設備（PSE）的保護。PSE通常集成升壓電路，將電壓從12伏提升至24伏或48伏。這一點對下游的受電設備（PD）而言至關重要，因為PSE面臨著過壓和過流風險。

為緩解這一風險，PSE電路中包含金屬氧化物壓敏電阻（MOV）或多層壓敏電阻（MLV）以及瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管，用于過壓保護；采用聚合物正溫度系數（PPTC）自恢復保險絲進行過流保護，并使用精密分流器進行電流監(jiān)測。MOV或MLV非常適合應對大型過壓事件。通常，MOV和MLV與能夠提供大電流的電壓源（如12伏鉛酸蓄電池）并聯(lián)。它們成本低廉，且能以緊湊的尺寸承受數百安培的電流。

與MOV和MLV一樣，TVS二極管也是一種可靠的技術，具有精確的過壓鉗位作用。該器件能鉗位過剩電壓，確保進入SPE電纜的電壓不超過預期值（24伏或48伏）。第二重保護措施是使用PPTC自恢復保險絲來應對過流情況，防止過流事件損壞電纜、線路或關鍵器件。

電流檢測也發(fā)揮著重要作用。為使升壓轉換器能夠檢測輸入或輸出功率中的異常波動，電流檢測電阻及其檢測電路會持續(xù)監(jiān)測過流事件。這些元件配置在PSE升壓轉換器中（如圖3所示）。

圖3：PoDL用PSE升壓轉換器的常見布局

如前所述，假設SPE電纜傳輸的是較高電壓，那么這些電壓必須經過降壓才能供受電設備（PD）或負載使用。這一過程通過降壓型DC-DC轉換器實現(xiàn)。與供電設備（PSE）一樣，受電設備（PD）也需要適當的保護以防范過壓或過流事件。多種器件可實現(xiàn)這一目的，例如電流傳感器、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管以及聚合物正溫度系數（PPTC）自恢復保險絲（如圖4所示）。

圖4：受電設備（PD）中常見的降壓轉換器。

在電壓和電流波動的系統(tǒng)中，電流傳感器尤為關鍵?？煽康碾娏鱾鞲衅鞑捎梅謮浩鹘Y構，通過低阻分流器進行測量。金屬氧化物壓敏電阻（MOV）的性能類似更耐用的瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管，能夠將高電壓從敏感元件處引開。聚合物正溫度系數（PPTC）保險絲通常是可復位的，這使其在汽車應用中極具價值，因為汽車在使用過程中，重新維修的機會可能有限。由于DC-DC轉換器工作在不同的電壓等級下，每個保護器件都必須有相應的額定值。

確保免受過壓和過流事故影響的最后一項保護措施，是對SPE數據線本身進行保護。如圖5所示，瞬態(tài)阻斷單元（TBU）以及金屬氧化物壓敏電阻（MOV）或多層壓敏電阻（MLV）被用于保護SPE的數據線。

圖5：SPE數據線的保護設計。

瞬態(tài)阻斷單元（TBU）的作用類似于可復位的PPTC保險絲，因其反應速度極快（納秒級），所以在數據線上更受青睞。能在電涌發(fā)生的納秒瞬間做出反應，可確保精密電路得到保護，同時盡可能保留數據。

與TBU器件配合使用時，多層壓敏電阻（MLV）能為數據線提供低電容的過壓保護，抵御靜電放電（ESD）和電涌的影響。鑒于信號完整性的重要性，像MLV這類低電容器件是SPE等信號線保護的理想選擇。它們還能在小型封裝中實現(xiàn)低壓鉗位功能。

面向下一代數據網絡的PoDL、SPE及保護措施

以PoDL和SPE技術為代表的汽車數據網絡的演進，標志著在打造更高效、更安全的車載系統(tǒng)方面邁出了重要一步。通過將電力和數據整合到單條線路中，PoDL同時解決了兩大挑戰(zhàn)：減輕車輛重量，以及滿足現(xiàn)代傳感器和子系統(tǒng)日益增長的數據需求。

這一進步的關鍵在于實施強大的保護機制。過壓和過流防護措施（包括TVS二極管、PPTC自恢復保險絲、MOV和TBU）有助于確保網絡抵御電涌的韌性。這些保護措施不僅能保護電源和數據連接，還能提升車輛電子生態(tài)系統(tǒng)的整體可靠性和安全性。