最大程度提高對汽車(chē)以太網(wǎng)應用的ESD保護

數十年來(lái)，以太網(wǎng)廣泛應用于工業(yè)和計算網(wǎng)絡(luò )，但如今，越來(lái)越多地部署到汽車(chē)應用，取代了控制器局域網(wǎng)絡(luò )(CAN)等傳統網(wǎng)絡(luò )。汽車(chē)以太網(wǎng)提供拓撲靈活性、高帶寬和穩定的通信，能夠滿(mǎn)足原始設備制造商(OEM)從域向區域網(wǎng)絡(luò )架構過(guò)渡期間的車(chē)內數據通信需求。本文首先討論各種汽車(chē)以太網(wǎng)標準，然后再考慮它們必須符合的嚴格靜電保護(ESD)和電磁兼容性(EMC)標準。最后介紹 Nexperia（安世半導體）的一系列元件，汽車(chē) OEM 可利用這些元件確保車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )在發(fā)生 ESD 事件時(shí)得到全面保護。

汽車(chē)以太網(wǎng)標準

2016 年，開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟（One Pair Ethernet Network，OPEN）委員會(huì )開(kāi)發(fā)了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車(chē)以太網(wǎng)（隨后由 IEEE 標準化），主要滿(mǎn)足汽車(chē)應用與電磁干擾(EMI)和兼容性(EMC)相關(guān)的特定要求。2020 年開(kāi)發(fā)的 10BASE-T1S 可實(shí)現短距離多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )拓撲，這一特性使其非常適合支持車(chē)輛區域架構。目前正在開(kāi)發(fā)汽車(chē)以太網(wǎng)的千兆級版本(MGBASE-T1)。表1列出了每種標準的規格。

表1：汽車(chē)以太網(wǎng)標準

保護汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )

與計算設施中部署的以太網(wǎng)版本不同，100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車(chē)以太網(wǎng)標準使用單一非屏蔽雙絞線(xiàn)(UTP)連接物理層接口(PHY)，如圖1所示。UTP 電纜體積更小、重量更輕、成本更低且易于使用，這些都是汽車(chē) OEM 的關(guān)鍵要求，但其結構卻給 EMI 防護帶來(lái)了額外的挑戰。

圖1：汽車(chē)以太網(wǎng)使用單一非屏蔽雙絞線(xiàn)

在現代汽車(chē)中，數百米長(cháng)的電纜連接著(zhù)多個(gè)管理各種功能的電子控制單元(ECU)。電纜通常捆綁在一起形成線(xiàn)束，這就大大增加了出現 EMI 相關(guān)問(wèn)題的可能性。在最壞的情況下，UTP 電纜中的 EMI 電壓振幅可高達 100 V，因此以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )必須足夠穩定，能夠承受這些峰值。開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟為汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)指定的保護電路如圖 2 所示。這包括一個(gè)共模扼流圈(CMC)，用于過(guò)濾可能耦合到電纜上的不必要的共模噪聲，同時(shí)還有助于防止潛在的 ESD 破壞性影響。

圖2：開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟指定的汽車(chē)以太網(wǎng)保護電路

ESD 保護器件的關(guān)鍵要求是在低于 100 V 的電壓下不應激活，同時(shí)為 24 V 工作電壓提供至少 15kV 的 ESD 保護（至少耐受1000次放電）。開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟還建議 OEM 執行一系列附加測試，雖然這些測試對于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 大體相似，但它們的通過(guò)標準不同。其中兩項測試旨在測量 ESD 保護器件對信號完整性(SI)的影響，并測量插入損耗(IL)、回波損耗(RL)和共模抑制比(CMMR)。ESD 放電電流測試可量化 ESD 事件期間流入 PHY 的電流，而射頻鉗位測試則旨在確保節點(diǎn)具有高達 100 V 的電磁兼容性。

在實(shí)際的汽車(chē)以太網(wǎng)部署中，ESD 保護的位置和布局至關(guān)重要。如圖3中的場(chǎng)掃描圖所示，該位置應位于連接器處，以確保 ESD 脈沖在連接器處直接被鉗位接地，從而為包括 CMC 和 PHY 在內的所有網(wǎng)絡(luò )電路提供最大保護。

圖3 ESD 事件的影響取決于 ESD 電路的布局

在脈沖條件下，CMC 可減少對 PHY 的 ESD 應力。當瞬態(tài)脈沖擊中 CMC 時(shí)，它會(huì )阻斷電流一段時(shí)間，時(shí)間長(cháng)短取決于脈沖的電壓電平，電壓越高，阻斷階段越短。阻斷階段之后是飽和階段，在這個(gè)階段，CMC 的行為就像電感進(jìn)入飽和狀態(tài)。一旦達到飽和，它就開(kāi)始傳導電流，CMC 兩端的電壓開(kāi)始下降。ESD 器件的封裝布線(xiàn)應始終保持平直，避免出現任何接點(diǎn)或彎曲，差分信號的布線(xiàn)應穿過(guò) ESD 器件的焊盤(pán)。出于信號完整性的考慮，應避免出現接點(diǎn)，差分線(xiàn)路的阻抗應為 100 Ω。為此，必須將線(xiàn)路分開(kāi)。圖4顯示了 Nexperia 針對不同封裝類(lèi)型推薦的布線(xiàn)選項。

圖4：SOT23 和 DFN 封裝 ESD 保護器件的布線(xiàn)選項

Nexperia為汽車(chē)以太網(wǎng)提供全面的ESD保護器件系列

Nexperia（安世半導體）為汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )提供多種 ESD 保護器件（表2）。PESD2ETH 系列器件完全符合開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟 100BASE-T1 標準，采用小型 SOT23 表面貼裝塑料封裝，旨在保護兩條車(chē)載網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)線(xiàn)路免受 ESD 和其他瞬態(tài)事件的損壞。PESD2ETH1G 器件符合開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟 IEEE 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 標準，采用小型 DFN1006BD-2 (SOD882BD)表面貼裝塑料封裝。

表2：來(lái)自 Nexperia 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 ESD 保護器件

Nexperia 還提供表3所示的符合開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟 10BASE-T1S 標準的高穩健性器件。它們的觸發(fā)電壓(Vt)超過(guò) 100 V，器件電容較低(< 0.5 pF)，因此數據傳輸流暢，信號完整性出色。對于雙線(xiàn)封裝，它們的電容匹配規范為 2%（最大值）。

表3：來(lái) 自Nexperia 的 10BASE-T1S ESD 保護器件

結論

本文討論了汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的保護要求，并介紹了有助于提高 ESD 和 EMI 穩定性的電路板布局選項。無(wú)論是實(shí)施 100BASE-T、1000BASE-T 還是 10BASE-T1S，汽車(chē) OEM 都可以依靠 Nexperia 為其車(chē)載網(wǎng)絡(luò )提供所需規格和外形尺寸的保護器件。

（來(lái)源：安世半導體，作者：Andreas Hardock）