Untersuchungen zur Störfestigkeit von 100Base-T1 Kommunikation für autonome Fahrfunktionen gegen puls- und sinusförmige Störsignale

In zukünftigen Fahrzeugarchitekturen werden zunehmend elektrifizierte Antriebssysteme und Kommunikationssysteme mit hohen Datenraten für hochautomatisiere Fahrfunktionen implementiert. Dies stellt insbesondere im Hinblick auf die EMV eine Herausforderung dar, weil eine störungsfreie Koexistenz der unterschiedlichen Bordnetzsysteme gewährleistet werden soll. Für die Realisierung von hochautomatisierten Fahrfunktionen, wird eine umfassende Sensorik in die Fahrzeuge integriert, welche die Fahrzeugumgebung mit Hilfe von Daten aus Kamera- und Radarsystemen erfasst. Um die resultierenden Datenmengen beherrschen und entsprechend kommunizieren zu können, reichen herkömmliche fahrzeuginterne Kommunikationssysteme, wie beispielsweise der CAN-Bus, nicht mehr aus. Alternativ stellt eine Automotive Ethernet Kommunikation (100Base-T1) [1] eine leistungsfähige Option dar, mit der Datenraten von bis zu 100 Mbit/s realisiert werden können. Zwecks Kostenoptimierung wird die Kommunikation zwischen den angeschlossenen Teilnehmern, wie bei der klassischen CAN-Bus Kommunikation, über eine verdrillte und ungeschirmte Zweidrahtleitung (Unshielded Twisted Pair - UTP) realisiert. Dabei muss sichergestellt werden, dass die im Fahrzeug eingesetzten Hochvolt- Systeme (HV-Systeme) die Kommunikation nicht unzulässig beeinflussen. Hierzu muss die Störfestigkeit der Kommunikationsstrecke umfassend untersucht werden, damit im Rahmen der Standardisierung Testverfahren und Prüfpegel festgelegt werden können, die eine sichere Koexistenz der verschiedenen Systeme im Fahrzeug gewährleisten. Innerhalb eines Elektrofahrzeugs, welches im PKW-Bereich bei Spannungen von bis zu 950 V [2] betrieben wird, kommt es zu breitbandigen Störaussendungen, die etwa um einen 35 dB höher sind als im klassischen 12 V Bordnetz. Durch die Verdrillung der ungeschirmten Kommunikationsleitung, wird unter idealen Bedingungen der in die Leitung induktiv eingekoppelte differentielle Störpegel kompensiert. Das Schalten der Zwischenkreisspannung durch den Inverter im Hochvoltsystem führt jedoch dazu, dass steilflankige Spannungspulse erzeugt werden, die kapazitiv in die Kommunikationsleitung einkoppeln können und durch die Verdrillung nicht kompensiert werden können. In dieser Arbeit wird die Störfestigkeit einer 100Base-T1 Kommunikationstrecke hinsichtlich beispielhafter kapazitiven und induktiven Kopplungen untersucht. Messungen in [4] haben gezeigt, dass sich durch Schalthandlungen in HV-Komponenten auf der Systemschirmung Impulse ausbreiten, weshalb hier eine kapazitive Koppelzange (Capacitive Coupling Clamp, CCC) verwendet wird. Mit dem CCC Verfahren nach ISO 7637-3 [3] werden Pulse kapazitiv auf die ungeschirmte Kommunikationsleitung eingekoppelt, um den Störer der HV-Seite nachzubilden. Neben pulsförmigen Störern, können auch sinusförmige Störer auftreten, die etwa durch On-board Transmitter hervorgerufen werden. Zur Untersuchung der Störfestigkeit gegen schmalbandige, induktiv eingekoppelte Störgrößen wird in dieser Arbeit das Bulk Current Injection (BCI) Verfahren eingesetzt, um Schwachstellen der Kommunikationsstrecke zu identifizieren

Störfestigkeitsanalyse von 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 Automotive Ethernet-Kommunikationssystemen mittels Direct Power Injection

Die Notwendigkeit von schneller und zuverlässiger Datenübertragung im Fahrzeug hat zur Entwicklung von Automotive Ethernet-Kommunikationstechnologien geführt, die Übertragungsraten von 100 MBit/s (100BASE-T1) [1] und 1 GBit/s (1000BASE-T1) [2] über ein einzelnes, verdrilltes Leitungspaar (engl. Twisted Wire Pair, TWP) ermöglichen. Diese beiden Kommunikationsstandards werden als Punkt-zu-Punkt-Verbindung realisiert und die Daten werden im Vollduplexverfahren übertragen. Beide Standards verwenden eine dreistufige Pulsamplitudenmodulation (PAM 3) und dieselbe Struktur des Terminierungsnetzwerks [3]. Die hohen Übertragungsraten und kurzen Symboldauern können jedoch zu geringerer Immunität gegenüber elektromagnetischen Störeinkopplungen führen. Die Zuverlässigkeit der Übertragung ist im Hinblick auf sicherheitskritische Anwendungen in Elektrofahrzeugen mit vielen leistungselektronischen Systemen ein zentrales Kriterium für die Einsetzbarkeit der Kommunikationssysteme. Die Einkopplung von Common-Mode-Störungen (CM) durch elektromagnetische Felder kann bei der Verwendung von ungeschirmten Kommunikationsleitungen nicht vermieden werden. Aus diesem Grund ist eine genaue Kenntnis über die Störfestigkeit von Kommunikationstransceivern gegenüber diesen Störgrößen von großer Bedeutung. In z.B. [4] und [5] wurde die Störfestigkeit von 100BASE-T1 mit der Bulk-Current-Injection-Methode (BCI) untersucht und der Einfluss der Störungen auf die Kommunikationssignale dargestellt. Das Ziel dieses Beitrags ist es, die Störfestigkeit von 100BASE-T1- und 1000BASE-T1-Kommunikationssystemen gegenüber sinusförmigen CM-Störungen zunächst mit Messungen zu quantifizieren, anschließend mittels Simulationen systematisch zu analysieren und damit die Vergleichbarkeit der elektromagnetischen Störfestigkeit der Systeme zu ermöglichen. In Kapitel 2 wird der verwendete Messaufbau zur Untersuchung der Störfestigkeit gegenüber Common-Mode-Störungen basierend auf der Methode der Direct Power Injection (DPI) und den entsprechenden Vorgaben der OPEN Alliance [6,7] erläutert und die Ergebnisse dargestellt. In Kapitel 3 wird ein Modellierungsansatz eingeführt, mit dem die Terminierungsnetzwerke der Kommunikationssysteme und die DPI-Störeinkopplung simuliert werden können. Die Simulation wird in Kapitel 4 für eine weiterführende systematische Untersuchung der Störfestigkeit verwendet. Es werden sowohl das methodische Vorgehen, als auch die kritischen Störpegel für die verschiedenen Kommunikationssysteme dargestellt und diskutiert. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse erfolgt in Kapitel 5

Hocheffiziente Modellierung, Charakterisierung und Analyse von Mixed-Signal Phasenregelkreisen unter Berücksichtigung von nichtlinearen und nicht-idealen Effekten

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der effizienten Modellierung und Charakterisierung von MS Systemen. Der Fokus liegt dabei auf der MS PLL zur Frequenzsynthese, wobei die Ergebnisse auch für weitere PLL Anwendungen gezeigt werden. Des Weiteren lassen sich die diskutierten Ergebnisse auch auf andere MS Systeme übertragen.Hier werden sowohl die gängigen linearen Modelle als auch die Verhaltensbeschreibungen der idealen PLL hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Effizienz analysiert. Darüber hinaus wird ein komplett ereignisgesteuertes (ED) Modell vorgestellt, mit dessen Hilfe autonome Differenzengleichungen abgeleitet werden und schließlich eine neue Stabilitätsbedingung hergeleitet wird. Diese erlaubt die Konvergenzbeurteilung der PLL für Anfangsbedingungen entfernt der Ruhelage, sodass eine robustere Verhaltensvorhersage der schaltenden und chaotischen PLL möglich ist.Zusätzlich zum idealen Verhalten werden typische nicht-ideale Eigenschaften der realen PLL betrachtet und entsprechende Modellierungsmethoden diskutiert. Für die Beschreibung der PLL und deren nicht-idealen Effekte wird ein intuitives, modulares und hocheffizientes erweitertes ED Modell eingeführt. Dessen Berechnung ist über 10.000-mal schneller als eine Transistor-Level (TL) Simulation und weist eine relative Differenz von lediglich 0,1% auf. Beim Vergleich mit einer Evaluationsschaltung beträgt die Abweichung zwischen den Messungen und den Ergebnissen des eingeführten Modells in etwa 1%. Das ED Modell vereint somit die hocheffiziente Simulation mit einer hohen Genauigkeit.Der erweiterte und schnelle ED Ansatz wird im Folgenden für die umfassende Charakterisierung der nichtlinearen, nicht-idealen und chaotischen PLL verwendet. Die Erkenntnisse der rigorosen Analyse werden für die Einführung eines robusteren und analytischen Systementwurfs der MS PLL zugrunde gelegt.This work deals with efficient modeling and characterization approaches for MS systems. For this, this thesis focuses on the MS PLL architecture used for frequency synthesis, whereas it will be shown that the obtained modeling approach and results are also applicable for other MS PLL applications such as clock and data recovery. Furthermore, the discussed results can be extrapolated to other MS systems.Here both the common linear models and the behavior descriptions of the ideal PLL are analyzed in terms of accuracy and efficiency. Then, a fully event-driven (ED) model is presented, allowing the derivation of autonomous difference equations which are finally used to derive a new, simple and accurate stability condition for the rest position. Utilizing this boundary, the convergence of the PLL can be assessed even for initial conditions far from the steady state, enabling a more robust convergence prediction of the switching and chaotic PLL.In addition to the ideal behavior of the PLL, also the typical non-ideal features of the real system are considered in this work and appropriate modeling methods are discussed. For the description of the PLL and its non-ideal effects an intuitive, modular and highly efficient advanced ED model is introduced. Its calculation is about 10,000 times faster than a transistor-level (TL) simulation. The relative difference between the ED and the TL results is only 0.1 % and the relative deviation between the ED simulation and measurement results of an evaluation board is approximately 1 %, showing that the exhaustive modeling, presented in this thesis, combines strongly reduced simulation resources with high accuracy results.The extended and fast ED approach is then used for a comprehensive characterization of the nonlinear, non-ideal and chaotic PLL behavior. The results of this rigorous analysis are utilized to introduce a more ...von Dipl.-Ing. Christian Hangmann ; Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hilleringmann, Zweiter Gutachter: Prof. Dr. techn. Felix GauschTag der Verteidigung: 13.06.2017Universität Paderborn, Dissertation, 201

Simulation and validation of arbitrary ordered VSCP-PLLs using event-driven macromodeling

International audienc