用於汽車以太網應用的ESD保護器件（100Base-T1、1000Base-T1）（上）
發布時間：2023-06-19 來源：安世半導體 責任編輯：wenwei
【導讀】本應用筆記介紹適用於 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的現代半導體 ESD 保護器件的特性。ESD 保護器件的作用是實現穩健的係統，使係統能夠承受破壞性的 ESD 事件並提供更高的EMC性能。本文提供了使用共模扼流圈（CMC）來增強這種耐受性的建議。
本應用筆記分為（上）（下）兩部分，您現在看到的是（上）。
01 引言
目前有幾種以太網解決方案在工業和商業應用中非常流行，但幾十年來，並沒有在汽車領域得到廣泛采用。到 2016 年，汽車行業中共推出了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 兩個標準。另外兩個標準 10BASE-T1S 和 MGB-T1（千兆級）正在開發中。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 由電氣與電子工程師協會（IEEE）發布，並包含在IEEE 802.3bw和IEEE 802.3bp中。雖然這兩個標準基於工業和商業以太網應用，但針對一些特定的汽車要求進行了修訂，這類要求主要與電磁兼容性（EMC）有關[1]。這些修訂由開放技術聯盟委員會完成。
汽車以太網可實現快速穩定的數據通信，能夠為多個電子控製單元（ECU）總線拓撲賦予靈活性，非常有望滿足未來的實時數據共享、帶dai寬kuan和he穩wen定ding工gong作zuo需xu求qiu。這zhe些xie特te性xing有you助zhu於yu加jia速su汽qi車che網wang絡luo架jia構gou從cong域yu架jia構gou向xiang區qu域yu架jia構gou的de演yan進jin。汽qi車che以yi太tai網wang可ke以yi與yu其qi他ta幾ji種zhong協xie議yi配pei對dui使shi用yong，例li如ru音yin頻pin和he視shi頻pin（AVB），因此，更有機會在 ADAS、X-Domain 和其他複雜係統中使用。
本應用筆記將介紹適用於 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的現代半導體 ESD 保護器件的特性。本文將展示 ESD 保護器件如何在電路中發揮協同作用，從而讓係統能夠耐受破壞性的 ESD 事件並具有更出色的EMC性能。此外，本文還將針對使用共模扼流圈（CMC）來增強這種耐受性提供建議。
02 100BASE-T1和1000BASE-T1的拓撲結構
汽車以太網用法靈活，並能顯著提高數據速率（與傳統的 CAN HS/FD 相比），因此能夠橋接各種複雜的通信域，如圖1所示。這一特性進一步強化汽車以太網在未來車載數據通信架構中的作用，而在未來，ADAS、信息娛樂係統和動力係統等關鍵應用將在汽車領域內顯著增長。
ECU通常使用非屏蔽雙絞線（UTP）相互連接，就像在 CAN 或 FlexRay 應用中一樣（圖2）。
這種做法有一些好處，例如使用簡單、成cheng本ben低di。但dan是shi，應ying該gai考kao慮lv到dao非fei屏ping蔽bi電dian纜lan可ke能neng會hui出chu現xian電dian磁ci噪zao聲sheng耦ou合he方fang麵mian的de問wen題ti。在zai真zhen實shi的de汽qi車che線xian束shu中zhong，不bu同tong的de電dian纜lan會hui組zu合he成cheng一yi束shu電dian纜lan，因yin此ci它ta們men之zhi間jian存cun在zai一yi定ding的de幹gan擾rao風feng險xian。具ju體ti而er言yan，在zai典dian型xing總zong線xian拓tuo撲pu的de UTP 內，感應電氣噪聲可達到 100 V，這已經得到幾個測試中心的證實。在這種情況下，ESD 保護器件不能觸發，以避免發生通信故障和鏈路丟失。這就提出了一項新的要求，即 ESD 保護器件的觸發電壓要高於 100 V。
開放技術聯盟推薦了一個包含電子元件的原理圖，如圖 3 所示。
左側的收發器模塊包含物理層接口（PHY）以及一些基本的濾波元件和片上 ESD 保護。下一個必須具有的模塊是帶有共模終端的共模扼流圈（CMC），用於減少不需要的共模，從而減少 EMI。ESD 器件位於連接器附近，它可以在一個封裝（如SOT23）中包含兩個 ESD 保護二極管，或者在 DFN1006BD 封裝中為每條單獨的線路包含兩個 ESD 二極管。在其他類似的原理圖中，ESD 保護器件放在 CMC 和 PHY 之間。
注：強烈建議將 ESD 保護器件直接置於連接器上。在此位置，ESD 電流會被鉗位至 GND，因此不會影響 PCB、以太網 PHY 或其他元件，如圖 4 所示。此外，根據100/1000MBase-T1 規範的要求，觸發電壓超過 100 V 的 ESD 保護器件置於連接器上、CMC 前麵時，可以發揮更顯著的保護作用。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 之間的主要區別在於帶寬（分別為 66 Mbps 和 750 Mbps）。因此，它們對信號完整性（SI）有一些不同的要求，具體會體現在一些電路的選擇上。相較於 1000BASE-T1，在 100BASE-T1 中，ESD 保護器件的器件電容可以略高一些。此外，CMC應遵循開放技術聯盟（OA）關於 100BASE-T1、1000BASE-T1 和千兆級應用的規定。本應用筆記後麵將提供更多相關信息。
03用於100BASE-T1和1000BASE-T1的ESD保護器件
由於 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 拓撲結構和電路幾乎相同，因此它們對所用 ESD 保護器件的要求非常相似。ESD 器件必須遵循 ESD 保護器件的OA規範（汽車以太網規範（opensig.org））。以下是一些主要要求：
• 雙向
• 在 1000個 15 kV ESD 脈衝後性能沒有下降（IEC61000-2-4）
• 觸發電壓 > 100 V
• VDC > 24 V（電池短路）
此外，我們通過一組測量對 ESD 保護器件的合規性進行了測試：
在上述測量中，我們對 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 使用相同的設置，但是“通過”和“未通過”條件定義存在略有不同的限製，尤其是帶寬差異等原因引起的散射參數。具體限製參見相應規範的附錄。
3.1. 散射參數
散射參數測量的理念是在頻域中觀察 ESD 保護器件的 SI 行為，即插入損耗（IL）、回波損耗（RL）和共模抑製比（CMRR）。作為混合模式散射參數矩陣中的矩陣元素，這些參數分別稱為Sdd21、Sdd11和Sdc21。索引“dd”指的是差分，“dc”指的是差模共模。
• IL 是指 ESD 保護器件隨頻率傳輸的信號部分。傳輸的信號越多越好。簡而言之，IL表示通過 ESD 器件傳輸的信號量。可以將其看作是一個以阻抗為重點的傳遞函數。“通過”條件是保持在規範中定義的限製之上。
• RL 表示 ESD 保護器件隨頻率變化而反射的信號部分。反射的信號越少越好。標準化委員會也對此定義了限製。“通過”條件是保持在限製以下。
• CMRR 表示隨頻率變化從差模轉換為共模的信號部分。這種模式轉換是由網絡中的不對稱引起的，在差分信號中應盡量減少。
圖5顯示了一些散射參數示例。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的數據速率和帶寬決定了二者的所有散射參數限製都不相同。
3.2. ESD 損壞：ESD 事件後測試信號完整性
該測試的重點是評估 ESD 對 SI 的影響。因此，基本上測量的散射參數與前文相同，但測量是在 8 kV 和 15 kV 條件下，在每個極性 20 個脈衝前後完成的。目標規範是，在 ESD 應力脈衝後，ESD 器件在 1 MHz 至 200 MHz 的頻率範圍內的偏差不允許超過 1 dB。圖6 顯示其中一個 ESD 器件的 Sdd11 結果。
3.3. ESD 放電電流測量
在 ESD 事件期間，ESD 保護器件將大部分 ESD 脈衝鉗位到地。然而，在實際應用中，總有一部分脈衝會越過 ESD 保護進入 PHY。該殘餘電流是評估 ESD 器件保護能力的重要參數。對於開放技術聯盟以太網 100/ 1000BASE-T1，該殘餘電流是使用標準化設置測量的。設置參見圖 7。包括 CMC和 ESD 保護在內的整個電路都包含在該設置中。PHY 的特性用一個 2 Ω 電阻器進行了簡化。
兩個極性的測量都在最高 15 kV 的電壓下進行的。“通過”條件限製來自於 2 kV 和 4 kV 人體模型(HBM)。
圖 8 顯示了 15 kV 脈衝的結果，包括來自 ESD 槍的限製和參考電流。
3.4. SEED——ESD 放電電流仿真測量
係統 ESD 性能的係統預測並不簡單。獨立收發器和無源元件（包括外部 ESD 保護器件）的 ESD 耐受性水平不能代表總體係統 ESD 耐受性水平。
因此，必須仔細考慮所有集成元件之間的交互。這裏要特別注意外部 ESD 保護、CMC 以及 IC PHY 收發器引腳的片上 ESD 保護特性的合理適配。請注意，這些元件表現出強烈的非線性高電流行為。
係統高效 ESD 設計（SEED）方法允許仿真整個係統中與 ESD 相關的瞬態高電壓、高電流行為。在這裏，需要使用行為模型和等效電路對各個元素進行精確建模。完整的仿真環境還包括 ESD 脈衝發生器模型。通過這種綜合仿真方法，可以預測流經係統不同部分的殘餘 ESD 應力電流以及不同係統節點的電壓。
通過評估 IC PHY 收發器數據引腳違反關鍵準靜態和動態 IV 限製的情況，可以確定係統級 ESD 耐受性。圖 10 顯示了係統模型的 100/1000BASE-T1 電路，以及根據 IEC 61000-4-2 使用 4 kV ESD 脈衝對進入 IC 的殘餘電流進行係統級測量和仿真的比較。
一般而言，測量結果與仿真結果非常吻合。仿真準確捕獲了流入 IC 的電流脈衝的主要特性，相對於 ICCDM 限製屬於過衝，而相對於 IC HBM 限製屬於穩態行為。
有關為汽車以太網電路設置瞬態係統級 SEED 仿真的更多信息，以及有關 CMC 和 ESD 發生器上帶回彈的高壓 ESD 保護的建模詳情，請參閱 Nexperia 白皮書《運用SEED設計方法，根據開放技術聯盟 100BASE-T1 規範高效預測 ESD 放電電流》[4]以及Nexperia汽車 ESD 手冊[5]。
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參考文獻
1. C.M. Kozierok, C. Correa, R. Boatright and J. Quesnell. Automotive Ethernet – The DefinitiveGuide. Intrepid Control Systems, 2014.
2. S. Bub, M. Mergens, A. Hardock, S. Holland and A. Hilbrink, “Automotive High-SpeedInterfaces: Future Challenges for System-level HV-ESD Protection and First- Time-RightDesign”, 2021 43rd Annual EOS/ESD Symposium (EOS/ESD), 2021, pp. 1-10, doi: 10.23919/EOS/ESD52038.2021.9574746。
3. Advanced Design Systems, Keysight, www.keysight.com.
4. Nexperia. Efficient prediction of ESD discharge current according to OPEN Alliance100BASE-T1 specification using SEED, 2019.
5. Nexperia. Automotive ESD Handbook.
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