未来车载电气系统中的供电和数据电缆——一起还是分开？

有哪些方法可以确保车辆中控制单元和传感器之间的供电和数据传输，混合解决方案的优缺点，以及哪种解决方案最适合哪种应用

汽车行业的未来发展方向明显指向“自主驾驶”。
自主驾驶需要车辆中的大量传感器，例如摄像头、雷达或激光雷达，这样才能安全地将乘客从A运送到B。随之而来的是海量的数据，这些数据必须通过高效的数据电缆进行传输、合并和评估。在这种情况下，必须提出的问题是：
如何获得从控制单元（ECU）到传感器的正确电压（而且电流足够大），如何确保安全且正确的数据传输？

我们希望在这篇文章中剖析这些令人兴奋的话题。您接下来可以了解到确保控制单元和传感器之间供电和数据传输的方法，混合插拔连接器的优缺点以及迈恩德为应对未来发展所做的准备。

有哪些方法可以确保车辆中控制单元和传感器之间的供电和数据传输？

就像往常一样，这方面也有不同的解决方案雏形被用于车辆上：

• 同轴电缆供电（Power over Coax，PoC）
• 数据电缆供电（Power over Data Line，PoDL）
• 供电和数据分开。

在本章中，我们将更详细地研究各种解决方案雏形及其优缺点。

同轴电缆供电（Power over Coax，PoC）

在传感器（例如摄像头）和所谓的ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）之间发送和接收的信号有三种类型：

• 命令 （ECU à 摄像头）
• 图像数据 （摄像头 à ECU）
• 供电 （ECU à 摄像头）

最初传输这些信号需要使用两到三对电缆。一个很大的缺点是其高重量和高成本。

采用同轴电缆供电（Power over Coax，PoC）时，现在可以通过一根同轴电缆传输所有这些信号。轻量化、加工和铺设花费低、成本减少等方面的优点不可忽视。
然而看似理想的解决方案也有其不足之处。同轴电缆必须处理三种完全不同的信号特性和两个信号方向。

从ECU向传感器（例如摄像头）发出的命令频率高达4 MHz，而图像数据在700 MHz范围内，以相反的方向传输。除此之外，还需要提供一个恒定的直流供电。

为保障信号的完整性，必须在传输的两端（传感器和ECU）都安装无源高性能滤波器。这些滤波器能够使供电电压的直流电流几乎不损耗地通过，同时抑制正向和反向通道的数据信号，以消除反射等干扰效应。

ECU端的滤波器将直流电压与视频和通信数据合并在一起。传感器端滤波器的任务是将直流电流从视频和通信数据中分离出来，从而给传感器提供稳定的直流供电。

-带滤波器的PoC传输

滤波器的设计并非易事，因为需要考虑到许多部件（例如无源元件和滤波器）的电气特性、滤波器对串行高频数据传输性能和信号质量的影响、电缆上的电压下降，以及电磁兼容性规定的遵守情况。由于电缆横截面较小，所以会限制最大电流负荷和电缆长度。使用同轴电缆供电（Power over Coax，PoC）时，典型的PoC电压在5伏到36伏之间。电流必须低于滤波器中使用的铁氧体或电感元件的额定电流（例如150 mA）。因此，例如德州仪器建议使用大于10伏的PoC电压，以便在低电流下实现尽可能高的输出功率。（功率[W]=电流[A]×电压[V]）

数据电缆供电（Power over Data Line，PoDL）

与同轴电缆供电（Power over Coax，PoC）不同，这里使用UTP（无屏蔽双绞线）或STP（屏蔽双绞线）的差分电缆对来进行数据和电力传输。传输速率是决定使用屏蔽或无屏蔽电缆的关键。通常情况下，10Base-T1或100Base-T1以太网连接使用无屏蔽的电缆，而在更高速度时，则通常使用屏蔽电缆。

PoDL

带屏蔽层电缆的数据电缆供电（Power over Data Line，PoDL）相对于同轴电缆供电（Power over Coax，PoC）的一项优点是其电磁兼容性（EMV）。在PoC中，屏蔽层同时充当电流导体（来自用电器的回流电缆）。  由于电流的流动，这个屏蔽层几乎像一根可以“辐射”的天线。

在PoDL中，由于双绞线电缆，屏蔽层可以充当“真正的”屏蔽层。数据和供电只通过这两根数据电缆传输。屏蔽层上没有电流流动。由数据信号的高/低电平变化引起的干扰（例如电磁兼容性辐射）被保留在电缆内部，不会释放到周围环境中。

然而与PoC相似，这里的电流或者可供传感器使用的最大有效功率也受到很大限制。根据IEEE 802.3b，50瓦是其极限。可使用不超过60伏的电压将电流保持在尽可能低的水平。

供电和数据分开

4 极迷同轴 + MQS

同轴电缆供电（Power over Coax，PoC）和数据电缆供电（Power over Data Line，PoDL）的最大缺点之一是供电电流有限，无法满足用电器的需求。

然而激光雷达和雷达等传感器的性能日益提高。测量距离越来越大，分辨率（像素数）也越来越高，这最终表现为不断增长的电力消耗。PoC和PoDL在这里都达到了它们的极限。因此现在越来越多地采用第三种解决方案，即数据和供电电缆被分开铺设。

这种数据传输通常通过集成到机壳中的不同触点来实现，例如带有两个MQS（Micro Quadlok System，Micro Quadlok系统）的HSD（High Speed Data，高速数据）。信号通过HSD电缆传输，传感器通过MQS绞合线供电。
但这些混合插拔连接器也有缺点。 

混合插拔连接器的优缺点：

混合插拔连接器的优势在于供电电缆的横截面选择更灵活，并且由于横截面更高，可以为用电器提供更高的电流。

另一个优点是，数据信号无需使用昂贵的滤波器与供电进行合并，然后再在另一端分离。当然也有一些缺点。生产这种电缆所需的集束花费要大得多。全自动机器必须能够将MQS触点连接到不同供电电缆的导体横截面上。因此需要各种压接工具。但是检查和验证不同电缆的花费也因此大大增加。 

未来的电缆集束——这是迈恩德正在做的，从而为未来做好准备

迈恩德在慕尼黑附近的总部设有自己的设备制造厂。经验丰富的设计师和工程师在这里开发、设计和建造高复杂度的生产设备。这是实现最大灵活性，能够及时应对车辆电气系统新要求的最佳基础。

我们的产品组合使我们成为一个非常强大和有竞争力的合作伙伴，我们的重点是生产高质量的数据电缆。作为一家独立的集束公司，我们专门生产混合数据电缆和插拔连接器。无论是同轴、UTP（无屏蔽双绞线）还是STP（屏蔽双绞线）产品，还是光学数据传输，MD ELEKTRONIK都能提供合适的解决方案。

总结与结论：

目前有三种方法可以同时在车辆中的传感器和执行器之间传输电流和数据：

• 同轴电缆供电（Power over Coax，PoC）
• 数据电缆供电（Power over Data Line，PoDL）
• 供电和数据分开。

同轴电缆供电（Power over Coax，PoC）和数据电缆供电（Power over Data Line，PoDL）允许在数据电缆上传输供电电压，但是由于电缆的粗细，最大电流非常有限。

第三个选项是电力和数据的单独传输。这种混合解决方案的巨大优势在于，数据电缆和供电电缆分别进行铺设，但是可以一同插入一个插接系统中。这种解决方案的缺点是生产成本增加。

至于哪种选择是最佳解决方案，因为具体应用的不同，所以不能做出一概而论的结论。对于如何设计车载电气系统中的供电，每个主机厂都有自己的理念。

对于耗电量高的传感器，混合解决方案通常是首选，因为PoC和PoDL在这里受导体横截面的限制较大。

然而如果需要提供适度功耗的用电器（例如摄像头），并且需要简化集束和减轻重量，则PoC和PoDL技术仍将发挥重要作用。