最大程度提高對汽車以太網應用的ESD保護

數十年來，以太網廣泛應用于工業和計算網絡，但如今，越來越多地部署到汽車應用，取代了控制器局域網絡(CAN)等傳統網絡。汽車以太網提供拓撲靈活性、高帶寬和穩定的通信，能夠滿足原始設備制造商(OEM)從域向區域網絡架構過渡期間的車內數據通信需求。本文首先討論各種汽車以太網標準，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 OEM 可利用這些元件確保車輛網絡在發生 ESD 事件時得到全面保護。

汽車以太網標準

2016 年，開放技術聯盟（One Pair Ethernet Network，OPEN）委員會開發了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車以太網（隨后由 IEEE 標準化），主要滿足汽車應用與電磁干擾(EMI)和兼容性(EMC)相關的特定要求。2020 年開發的 10BASE-T1S 可實現短距離多點網絡拓撲，這一特性使其非常適合支持車輛區域架構。目前正在開發汽車以太網的千兆級版本(MGBASE-T1)。表1列出了每種標準的規格。

表1：汽車以太網標準

保護汽車以太網網絡

與計算設施中部署的以太網版本不同，100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車以太網標準使用單一非屏蔽雙絞線(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 OEM 的關鍵要求，但其結構卻給 EMI 防護帶來了額外的挑戰。

圖1：汽車以太網使用單一非屏蔽雙絞線

在現代汽車中，數百米長的電纜連接著多個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束，這就大大增加了出現 EMI 相關問題的可能性。在最壞的情況下，UTP 電纜中的 EMI 電壓振幅可高達 100 V，因此以太網網絡必須足夠穩定，能夠承受這些峰值。開放技術聯盟為汽車以太網網絡中的每個節點指定的保護電路如圖 2 所示。這包括一個共模扼流圈(CMC)，用于過濾可能耦合到電纜上的不必要的共模噪聲，同時還有助于防止潛在的 ESD 破壞性影響。

圖2：開放技術聯盟指定的汽車以太網保護電路

ESD 保護器件的關鍵要求是在低于 100 V 的電壓下不應激活，同時為 24 V 工作電壓提供至少 15kV 的 ESD 保護（至少耐受1000次放電）。開放技術聯盟還建議 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具有高達 100 V 的電磁兼容性。

在實際的汽車以太網部署中，ESD 保護的位置和布局至關重要。如圖3中的場掃描圖所示，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 在內的所有網絡電路提供最大保護。

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。當瞬態脈沖擊中 CMC 時，它會阻斷電流一段時間，時間長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，在這個階段，CMC 的行為就像電感進入飽和狀態。一旦達到飽和，它就開始傳導電流，CMC 兩端的電壓開始下降。ESD 器件的封裝布線應始終保持平直，避免出現任何接點或彎曲，差分信號的布線應穿過 ESD 器件的焊盤。出于信號完整性的考慮，應避免出現接點，差分線路的阻抗應為 100 Ω。為此，必須將線路分開。圖4顯示了 Nexperia 針對不同封裝類型推薦的布線選項。

圖4：SOT23 和 DFN 封裝 ESD 保護器件的布線選項

Nexperia為汽車以太網提供全面的ESD保護器件系列

Nexperia（安世半導體）為汽車以太網網絡提供多種 ESD 保護器件（表2）。PESD2ETH 系列器件完全符合開放技術聯盟 100BASE-T1 標準，采用小型 SOT23 表面貼裝塑料封裝，旨在保護兩條車載網絡總線線路免受 ESD 和其他瞬態事件的損壞。PESD2ETH1G 器件符合開放技術聯盟 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所示的符合開放技術聯盟 10BASE-T1S 標準的高穩健性器件。它們的觸發電壓(Vt)超過 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。對于雙線封裝，它們的電容匹配規范為 2%（最大值）。

表3：來 自Nexperia 的 10BASE-T1S ESD 保護器件

結論

本文討論了汽車以太網網絡的保護要求，并介紹了有助于提高 ESD 和 EMI 穩定性的電路板布局選項。無論是實施 100BASE-T、1000BASE-T 還是 10BASE-T1S，汽車 OEM 都可以依靠 Nexperia 為其車載網絡提供所需規格和外形尺寸的保護器件。

（來源：安世半導體，作者：Andreas Hardock）