——TIDA-020073 的系統(tǒng)架構(gòu)、PoDL、電源與工程實(shí)現(xiàn)

一、引言：單對以太網(wǎng)正在重塑汽車電子架構(gòu)

隨著汽車從傳統(tǒng)分布式 ECU 向集中式域控制器架構(gòu)發(fā)展，車內(nèi)的通信需求呈倍增趨勢。ADAS、自動駕駛、高清攝像頭、雷達(dá)、艙內(nèi)信息娛樂、多屏顯示、車載操作系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程 OTA，均需要比 CAN 或 LIN 更高的帶寬、時(shí)延一致性與可擴(kuò)展性。

以太網(wǎng)因此成為車載網(wǎng)絡(luò)的必然路徑。然而，傳統(tǒng)多對以太網(wǎng)線束（如 100Base-TX、1000Base-T）存在體積大、重量重、布線復(fù)雜、成本高等問題，不適用于整車密集布線環(huán)境。與此同時(shí)，汽車對 EMI/EMC、溫度、振動和可靠性也提出遠(yuǎn)高于消費(fèi)電子的要求。

在此背景下，單對以太網(wǎng)（Single-Pair Ethernet, SPE）與 100Base-T1 標(biāo)準(zhǔn)快速成為主流。SPE 僅用一對雙絞線即可實(shí)現(xiàn) 100 Mbps 全雙工通信，具備線束輕量化、抗噪聲能力強(qiáng)、成本低的優(yōu)勢。更關(guān)鍵的是，SPE 不僅能傳輸數(shù)據(jù)，還能通過 PoDL（Power over Data Line）思路，將電源疊加到通信線上，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù) + 電源共線”，進(jìn)一步減少線束數(shù)量和重量。

TIDA-020073 正是圍繞 Jacinto? 7 處理器平臺提供的一套 100Base-T1 + PoDL 汽車化參考設(shè)計(jì)，展示了如何在開發(fā)階段快速構(gòu)建一個(gè)具有車規(guī)風(fēng)格、可測試、可擴(kuò)展的 SPE 接口。對于 ADAS 域控、車身 ECU、攝像頭節(jié)點(diǎn)、傳感器模塊和信息娛樂系統(tǒng)，具有重要工程參考價(jià)值。

本文將從系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵器件、PoDL 耦合網(wǎng)絡(luò)、電源設(shè)計(jì)、軟件準(zhǔn)備與測試驗(yàn)證等方面，對 TIDA-020073 進(jìn)行系統(tǒng)分析。

二、TIDA-020073 的設(shè)計(jì)定位與總覽

TIDA-020073 的設(shè)計(jì)目標(biāo)十分明確：為 Jacinto? 7 系列 EVM 提供一個(gè)可直接使用的 100Base-T1 單對以太網(wǎng)擴(kuò)展卡，并演示通過一對雙絞線同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和 12 V 電源的 PoDL 結(jié)構(gòu)。

該設(shè)計(jì)的核心特征包括：

• 面向 Jacinto? 7 EVM 的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口；

• 采用汽車級 100Base-T1 PHY（DP83TC813S-Q1）；

• 通過 SGMII 與 Jacinto? 7 的以太網(wǎng) MAC 相連；

• 支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與 12 V 電源疊加在同一對雙絞線上；

• 板上包含 3.3 V Buck、低靜態(tài)電流 LDO（VSLEEP）等電源模塊；

• 提供 PoDL 耦合/解耦網(wǎng)絡(luò)（CDN）、濾波網(wǎng)絡(luò)及保護(hù)結(jié)構(gòu)；

• 支持 BAW 振蕩器或外部晶體；

• 集成 Board ID EEPROM，用于識別和配置。

這塊參考板并不是量產(chǎn)硬件，而是一套工程藍(lán)本，開發(fā)者可以通過它快速驗(yàn)證：

• Jacinto 7 控制器與 SPE 的互連方式；

• 100Base-T1 的帶寬與穩(wěn)定性；

• 在真實(shí) PoDL 場景下的供電與數(shù)據(jù)傳輸效果；

• PHY 驅(qū)動、SGMII 配置與系統(tǒng)軟件集成；

• EMI、布局、布線和濾波網(wǎng)絡(luò)的典型設(shè)計(jì)方法。

三、系統(tǒng)架構(gòu)：從 Jacinto 7 到遠(yuǎn)端 SPE 節(jié)點(diǎn)

從系統(tǒng)角度看，TIDA-020073 包括三個(gè)關(guān)鍵部分：

1. Jacinto? 7 SoC 及其 EVM 主板
   提供 SGMII、MDIO、I/O、電源等接口。

2. TIDA-020073 擴(kuò)展板
   扮演 PHY、PoDL 耦合、電源轉(zhuǎn)換的角色。

3. 遠(yuǎn)端設(shè)備
   可為媒體轉(zhuǎn)換器、攝像頭節(jié)點(diǎn)、傳感器或另一塊 SPE PHY。

整個(gè)鏈路可概括為：

Jacinto 7 SoC → SGMII → DP83TC813S-Q1 PHY → SPE 雙絞線 → 遠(yuǎn)端 PHY/設(shè)備                                                ↑
                                                │
                                            12 V PoDL

3.1 SGMII 接口

Jacinto 7 SoC 支持多種 MAC 接口，包括 RGMII、RMII、MII 和 SGMII。TIDA-020073 采用 SGMII，主要原因是：

• 差分信號抗干擾能力強(qiáng)；

• 速率高，支持 1 Gbps；

• 走線更簡潔；

• 適合模塊化擴(kuò)展。

3.2 SPE 側(cè)與 PHY

DP83TC813S-Q1 位于 SPE 側(cè)，用于將 SGMII 轉(zhuǎn)換為 100Base-T1 MDI 信號，通過一對雙絞線傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 PoDL 電源疊加

TIDA-020073 將外部提供的 12 V 經(jīng)過濾波與耦合后疊加到 SPE 線上，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)端設(shè)備供電。

四、核心器件解析：PHY、電源與時(shí)鐘

4.1 DP83TC813S-Q1：車規(guī)級 100Base-T1 PHY

DP83TC813S-Q1 是 TI 的車規(guī) 100Base-T1 PHY，支持：

• IEEE 802.3bw 標(biāo)準(zhǔn)；

• 使用一對雙絞線進(jìn)行 100 Mbps 數(shù)據(jù)傳輸；

• 可與 MCU、SoC 的 MAC 接口配合，包括 SGMII；

• 支持車規(guī)睡眠與喚醒（TC10）；

• 內(nèi)置 ESD 監(jiān)測、鏈路診斷、PRBS 測試、內(nèi)部環(huán)回；

• 集成 MDI 端濾波，可減小輻射。

PHY 的電源設(shè)置為 3.3 V，I/O 與 Jacinto EVM 一致，使連接更簡潔。

4.2 TPS629210-Q1：3.3 V Buck 轉(zhuǎn)換器

該降壓模塊承擔(dān)：

• 從 5 V 輸入生成主供電 3.3 V；

• 高效率同步 Buck，工作在 3–17 V；

• 具有自動效率增強(qiáng)模式與輕載 PFM；

• 靜態(tài)電流極低，有利于待機(jī)場景。

Buck 是整板數(shù)字、PHY、振蕩器等的主要供電來源。

4.3 TPS7B8233-Q1：超低靜態(tài)電流 LDO

用于提供 VSLEEP 軌，供以下模塊使用：

• PHY 的喚醒邏輯；

• 必要的 always-on 邏輯；

• EEPROM 等低功耗器件。

LDO 極低的靜態(tài)電流使系統(tǒng)在睡眠狀態(tài)下不增加額外負(fù)擔(dān)。

4.4 可選 BAW 振蕩器（CDC6CE 系列）

BAW 振蕩器用于替代傳統(tǒng)晶體，具有：

• 高機(jī)械可靠性；

• 溫度漂移小；

• 抖動性能好；

• 封裝更小。

對于對時(shí)鐘穩(wěn)定性和長期可靠性要求較高的汽車應(yīng)用更為合適。

五、PoDL 耦合網(wǎng)絡(luò)（CDN）設(shè)計(jì)

PoDL 是 TIDA-020073 的關(guān)鍵特性之一。其核心是將 12 V 電源與高速差分?jǐn)?shù)據(jù)線疊加在一起，且兩者互不干擾。

CDN（Coupling/Decoupling Network）主要包含：

1. 差模電感（DMI）
   讓 DC 電源順利耦合到雙絞線，同時(shí)對高頻信號呈高阻抗。

2. 共模扼流圈（CMC）
   提高共模抑制性能，減小 EMI。

3. 濾波電容、保護(hù)二極管與必要的阻尼網(wǎng)絡(luò)
   減少瞬態(tài)干擾與反射。

設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下參數(shù)：

• 以太網(wǎng)頻率（100 Mbps 對應(yīng)符號率約 66.6 MHz）；

• 電感的工作電流（應(yīng)覆蓋遠(yuǎn)端模塊最大負(fù)載）；

• 電感飽和電流與溫升；

• 線纜阻抗匹配；

• 溫度等級（通常要求支持 125–150 ℃）。

在汽車場景下，由于振動大、線纜長、溫差大，電感器件必須滿足車規(guī)可靠性要求。

六、高側(cè)開關(guān)（HSS）與供電安全

由于 PoDL 將電源與數(shù)據(jù)共線，故傳統(tǒng)車輛中通過保險(xiǎn)絲保護(hù)的方法不再適用。TIDA-020073 建議采用高側(cè)開關(guān)來進(jìn)行保護(hù)：

• 限流與逐周期電流保護(hù)；

• 過熱保護(hù)；

• 輸出短路保護(hù)；

• 電源故障時(shí)快速隔離。

在量產(chǎn)設(shè)計(jì)中，HSS 是 PoDL 方案安全性的核心。它能防止：

• 線纜破損導(dǎo)致短路；

• 遠(yuǎn)端設(shè)備故障導(dǎo)致電流過大；

• 熱插拔或振動導(dǎo)致瞬態(tài)尖峰。

七、硬件設(shè)計(jì)原則：布局、布線與 EMC

TIDA-020073 未強(qiáng)制提供布局規(guī)則，但可歸納出以下原則：

7.1 SPE / MDI 布局

• PHY 至 SPE 連接器的 MDI 走線保持短且對稱；

• CMC 和 DMI 靠近 SPE 連接器放置；

• 避免高速差分對與強(qiáng)噪聲模塊平行走線。

7.2 電源布局

• Buck 的 SW 回路面積盡可能小；

• LDO 周邊布置低 ESR 去耦；

• PoDL 電感提供足夠間距，避免大電流磁場干擾數(shù)字信號。

7.3 接地策略

• 數(shù)字地、模擬地、電源地在分層中保持清晰；

• 在 PHY 附近提供連續(xù)的地平面；

• 對高頻路徑特別關(guān)注回流路徑。

八、軟件集成：Linux SDK 與 PHY 驅(qū)動

Jacinto 7 使用 Linux SDK 進(jìn)行配置，需要：

1. 啟用相關(guān) MAC 控制器；

2. 配置為 SGMII 模式；

3. 在設(shè)備樹中加入 PHY 信息；

4. 設(shè)置正確的 PHY 地址；

5. 使用 MDIO 管理 PHY；

6. 用 ethtool、ip link 等工具驗(yàn)證鏈路；

7. 使用 iperf3 進(jìn)行帶寬評估。

驅(qū)動需支持：

• 鏈路狀態(tài)監(jiān)控；

• PHY 寄存器訪問；

• 喚醒與睡眠；

• ESD 事件監(jiān)測；

• 內(nèi)部 PRBS 測試模式。

九、測試結(jié)果：100Base-T1 的穩(wěn)定帶寬

在典型測試平臺下（Jacinto 7 EVM + TIDA-020073 + SPE 線纜 + 媒體轉(zhuǎn)換器 + PC），進(jìn)行 iperf 測試，可達(dá)到接近理論值的吞吐：

• 93–98 Mbps 的 TCP/IP 層帶寬；

• 穩(wěn)定的 link-up / link-down 行為；

• SPE 線纜在 PoDL 情況下仍可保持鏈路完整。

這驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)在物理層、電源耦合和 PHY 配置方面的有效性。

十、適用場景：從 ADAS 到攝像頭節(jié)點(diǎn)

TIDA-020073 適合用于以下系統(tǒng)的開發(fā)驗(yàn)證：

• ADAS 域控制器與雷達(dá)/攝像頭模塊之間的 SPE 通信；

• 車身 ECU 與智能傳感器之間的輕量化連接；

• 信息娛樂系統(tǒng)與外圍模塊之間的 100 Mbps 通信；

• 中央計(jì)算平臺對遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展；

• 軟件定義汽車環(huán)境下的以太網(wǎng)骨干結(jié)構(gòu)構(gòu)建。

特別是當(dāng)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)需要低功率供電時(shí)，PoDL 大幅減少線束數(shù)量，提高布線靈活性。

十一、量產(chǎn)化建議：如何從參考設(shè)計(jì)走向整車項(xiàng)目

11.1 必須重新設(shè)計(jì) PCB 與結(jié)構(gòu)

參考設(shè)計(jì)僅用于開發(fā)與評估，不建議直接用于量產(chǎn)。需要重新考慮：

• 外形、固定方式；

• 連接器規(guī)格；

• 防護(hù)涂層與制造工藝；

• 熱管理與密封材料；

• EMI 屏蔽。

11.2 線束與連接器需要車規(guī)設(shè)計(jì)

PoDL 線束需滿足：

• 阻抗控制；

• 耐彎折、耐振動；

• 屏蔽或非屏蔽等級要求；

• 溫度范圍；

• 接插件的插拔壽命與鎖緊強(qiáng)度。

11.3 EMC / ESD / 瞬態(tài)測試必須整車級驗(yàn)證

包括：

• 整車 EMC；

• ISO 7637、ISO 11452；

• ESD 放電；

• 線纜瞬態(tài)干擾；

• 發(fā)動機(jī) cranking 影響。

11.4 軟件需加入診斷體系

需根據(jù) OEM 要求建立：

• PHY 事件監(jiān)控；

• PoDL 電流監(jiān)測；

• 鏈路質(zhì)量診斷；

• 錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制；

• DTC 故障碼。

十二、總結(jié)：SPE + PoDL 在 Jacinto 7 平臺的工程樣板

TIDA-020073 為汽車以太網(wǎng)的 SPE 與 PoDL 提供了一套清晰、可復(fù)用的工程模板：

• 單對線纜實(shí)現(xiàn) 100 Mbps 全雙工通信；

• 12 V 電源通過 PoDL 疊加，減少線束；

• DP83TC813S-Q1 作為車規(guī) PHY，提供 TC10、診斷、ESD 監(jiān)測等能力；

• 電源架構(gòu)由高效率 Buck 與低靜態(tài)電流 LDO 構(gòu)成；

• CDN、CMC、DMI 構(gòu)成 PoDL 的關(guān)鍵耦合與濾波網(wǎng)絡(luò)；

• 能在 Jacinto 7 平臺上快速搭建出 SPE 原型系統(tǒng)；

• 軟件與硬件均提供完整路徑，適合 OEM、Tier-1 和方案商進(jìn)行前期開發(fā)。

對于需要在 Jacinto 7 構(gòu)建 100Base-T1 通信、PoDL 供電或測試 SPE 方案的工程團(tuán)隊(duì)，這是非常值得參考的起點(diǎn)。