用于汽車以太網(wǎng)應(yīng)用的ESD保護(hù)器件（100Base-T1、1000Base-T1）（上）

本應(yīng)用筆記介紹適用于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的現(xiàn)代半導(dǎo)體 ESD 保護(hù)器件的特性。ESD 保護(hù)器件的作用是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠承受破壞性的 ESD 事件并提供更高的EMC性能。本文提供了使用共模扼流圈（CMC）來增強(qiáng)這種耐受性的建議。

本應(yīng)用筆記分為（上）（下）兩部分，您現(xiàn)在看到的是（上）。

01 引言

目前有幾種以太網(wǎng)解決方案在工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中非常流行，但幾十年來，并沒有在汽車領(lǐng)域得到廣泛采用。到 2016 年，汽車行業(yè)中共推出了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。另外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 10BASE-T1S 和 MGB-T1（千兆級(jí)）正在開發(fā)中。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 由電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）發(fā)布，并包含在IEEE 802.3bw和IEEE 802.3bp中。雖然這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)基于工業(yè)和商業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用，但針對(duì)一些特定的汽車要求進(jìn)行了修訂，這類要求主要與電磁兼容性（EMC）有關(guān)[1]。這些修訂由開放技術(shù)聯(lián)盟委員會(huì)完成。

汽車以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信，能夠?yàn)槎鄠€(gè)電子控制單元（ECU）總線拓?fù)滟x予靈活性，非常有望滿足未來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享、帶寬和穩(wěn)定工作需求。這些特性有助于加速汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從域架構(gòu)向區(qū)域架構(gòu)的演進(jìn)。汽車以太網(wǎng)可以與其他幾種協(xié)議配對(duì)使用，例如音頻和視頻（AVB），因此，更有機(jī)會(huì)在 ADAS、X-Domain 和其他復(fù)雜系統(tǒng)中使用。

本應(yīng)用筆記將介紹適用于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的現(xiàn)代半導(dǎo)體 ESD 保護(hù)器件的特性。本文將展示 ESD 保護(hù)器件如何在電路中發(fā)揮協(xié)同作用，從而讓系統(tǒng)能夠耐受破壞性的 ESD 事件并具有更出色的EMC性能。此外，本文還將針對(duì)使用共模扼流圈（CMC）來增強(qiáng)這種耐受性提供建議。

02 100BASE-T1和1000BASE-T1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

汽車以太網(wǎng)用法靈活，并能顯著提高數(shù)據(jù)速率（與傳統(tǒng)的 CAN HS/FD 相比），因此能夠橋接各種復(fù)雜的通信域，如圖1所示。這一特性進(jìn)一步強(qiáng)化汽車以太網(wǎng)在未來車載數(shù)據(jù)通信架構(gòu)中的作用，而在未來，ADAS、信息娛樂系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等關(guān)鍵應(yīng)用將在汽車領(lǐng)域內(nèi)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(yīng)用中一樣（圖2）。

這種做法有一些好處，例如使用簡單、成本低。但是，應(yīng)該考慮到非屏蔽電纜可能會(huì)出現(xiàn)電磁噪聲耦合方面的問題。在真實(shí)的汽車線束中，不同的電纜會(huì)組合成一束電纜，因此它們之間存在一定的干擾風(fēng)險(xiǎn)。具體而言，在典型總線拓?fù)涞?UTP 內(nèi)，感應(yīng)電氣噪聲可達(dá)到 100 V，這已經(jīng)得到幾個(gè)測(cè)試中心的證實(shí)。在這種情況下，ESD 保護(hù)器件不能觸發(fā)，以避免發(fā)生通信故障和鏈路丟失。這就提出了一項(xiàng)新的要求，即 ESD 保護(hù)器件的觸發(fā)電壓要高于 100 V。

開放技術(shù)聯(lián)盟推薦了一個(gè)包含電子元件的原理圖，如圖 3 所示。

左側(cè)的收發(fā)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(hù)。下一個(gè)必須具有的模塊是帶有共模終端的共模扼流圈（CMC），用于減少不需要的共模，從而減少 EMI。ESD 器件位于連接器附近，它可以在一個(gè)封裝（如SOT23）中包含兩個(gè) ESD 保護(hù)二極管，或者在 DFN1006BD 封裝中為每條單獨(dú)的線路包含兩個(gè) ESD 二極管。在其他類似的原理圖中，ESD 保護(hù)器件放在 CMC 和 PHY 之間。

注：強(qiáng)烈建議將 ESD 保護(hù)器件直接置于連接器上。在此位置，ESD 電流會(huì)被鉗位至 GND，因此不會(huì)影響 PCB、以太網(wǎng) PHY 或其他元件，如圖 4 所示。此外，根據(jù)100/1000MBase-T1 規(guī)范的要求，觸發(fā)電壓超過 100 V 的 ESD 保護(hù)器件置于連接器上、CMC 前面時(shí)，可以發(fā)揮更顯著的保護(hù)作用。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 之間的主要區(qū)別在于帶寬（分別為 66 Mbps 和 750 Mbps）。因此，它們對(duì)信號(hào)完整性（SI）有一些不同的要求，具體會(huì)體現(xiàn)在一些電路的選擇上。相較于 1000BASE-T1，在 100BASE-T1 中，ESD 保護(hù)器件的器件電容可以略高一些。此外，CMC應(yīng)遵循開放技術(shù)聯(lián)盟（OA）關(guān)于 100BASE-T1、1000BASE-T1 和千兆級(jí)應(yīng)用的規(guī)定。本應(yīng)用筆記后面將提供更多相關(guān)信息。

03用于100BASE-T1和1000BASE-T1的ESD保護(hù)器件

由于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路幾乎相同，因此它們對(duì)所用 ESD 保護(hù)器件的要求非常相似。ESD 器件必須遵循 ESD 保護(hù)器件的OA規(guī)范（汽車以太網(wǎng)規(guī)范（opensig.org））。以下是一些主要要求：

? 雙向

? 在 1000個(gè) 15 kV ESD 脈沖后性能沒有下降（IEC61000-2-4）

? 觸發(fā)電壓 > 100 V

? VDC > 24 V（電池短路）

此外，我們通過一組測(cè)量對(duì) ESD 保護(hù)器件的合規(guī)性進(jìn)行了測(cè)試：

在上述測(cè)量中，我們對(duì) 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 使用相同的設(shè)置，但是“通過”和“未通過”條件定義存在略有不同的限制，尤其是帶寬差異等原因引起的散射參數(shù)。具體限制參見相應(yīng)規(guī)范的附錄。

3.1. 散射參數(shù)

散射參數(shù)測(cè)量的理念是在頻域中觀察 ESD 保護(hù)器件的 SI 行為，即插入損耗（IL）、回波損耗（RL）和共模抑制比（CMRR）。作為混合模式散射參數(shù)矩陣中的矩陣元素，這些參數(shù)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(hù)器件隨頻率傳輸?shù)男盘?hào)部分。傳輸?shù)男盘?hào)越多越好。簡而言之，IL表示通過 ESD 器件傳輸?shù)男盘?hào)量?？梢詫⑵淇醋魇且粋€(gè)以阻抗為重點(diǎn)的傳遞函數(shù)?！巴ㄟ^”條件是保持在規(guī)范中定義的限制之上。

? RL 表示 ESD 保護(hù)器件隨頻率變化而反射的信號(hào)部分。反射的信號(hào)越少越好。標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)也對(duì)此定義了限制?！巴ㄟ^”條件是保持在限制以下。

? CMRR 表示隨頻率變化從差模轉(zhuǎn)換為共模的信號(hào)部分。這種模式轉(zhuǎn)換是由網(wǎng)絡(luò)中的不對(duì)稱引起的，在差分信號(hào)中應(yīng)盡量減少。

圖5顯示了一些散射參數(shù)示例。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的數(shù)據(jù)速率和帶寬決定了二者的所有散射參數(shù)限制都不相同。

3.2. ESD 損壞：ESD 事件后測(cè)試信號(hào)完整性

該測(cè)試的重點(diǎn)是評(píng)估 ESD 對(duì) SI 的影響。因此，基本上測(cè)量的散射參數(shù)與前文相同，但測(cè)量是在 8 kV 和 15 kV 條件下，在每個(gè)極性 20 個(gè)脈沖前后完成的。目標(biāo)規(guī)范是，在 ESD 應(yīng)力脈沖后，ESD 器件在 1 MHz 至 200 MHz 的頻率范圍內(nèi)的偏差不允許超過 1 dB。圖6 顯示其中一個(gè) ESD 器件的 Sdd11 結(jié)果。

3.3. ESD 放電電流測(cè)量

在 ESD 事件期間，ESD 保護(hù)器件將大部分 ESD 脈沖鉗位到地。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，總有一部分脈沖會(huì)越過 ESD 保護(hù)進(jìn)入 PHY。該殘余電流是評(píng)估 ESD 器件保護(hù)能力的重要參數(shù)。對(duì)于開放技術(shù)聯(lián)盟以太網(wǎng) 100/ 1000BASE-T1，該殘余電流是使用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置測(cè)量的。設(shè)置參見圖 7。包括 CMC和 ESD 保護(hù)在內(nèi)的整個(gè)電路都包含在該設(shè)置中。PHY 的特性用一個(gè) 2 Ω 電阻器進(jìn)行了簡化。

兩個(gè)極性的測(cè)量都在最高 15 kV 的電壓下進(jìn)行的?！巴ㄟ^”條件限制來自于 2 kV 和 4 kV 人體模型(HBM)。

圖 8 顯示了 15 kV 脈沖的結(jié)果，包括來自 ESD 槍的限制和參考電流。

3.4. SEED——ESD 放電電流仿真測(cè)量

系統(tǒng) ESD 性能的系統(tǒng)預(yù)測(cè)并不簡單。獨(dú)立收發(fā)器和無源元件（包括外部 ESD 保護(hù)器件）的 ESD 耐受性水平不能代表總體系統(tǒng) ESD 耐受性水平。

因此，必須仔細(xì)考慮所有集成元件之間的交互。這里要特別注意外部 ESD 保護(hù)、CMC 以及 IC PHY 收發(fā)器引腳的片上 ESD 保護(hù)特性的合理適配。請(qǐng)注意，這些元件表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性高電流行為。

系統(tǒng)高效 ESD 設(shè)計(jì)（SEED）方法允許仿真整個(gè)系統(tǒng)中與 ESD 相關(guān)的瞬態(tài)高電壓、高電流行為。在這里，需要使用行為模型和等效電路對(duì)各個(gè)元素進(jìn)行精確建模。完整的仿真環(huán)境還包括 ESD 脈沖發(fā)生器模型。通過這種綜合仿真方法，可以預(yù)測(cè)流經(jīng)系統(tǒng)不同部分的殘余 ESD 應(yīng)力電流以及不同系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的電壓。

通過評(píng)估 IC PHY 收發(fā)器數(shù)據(jù)引腳違反關(guān)鍵準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài) IV 限制的情況，可以確定系統(tǒng)級(jí) ESD 耐受性。圖 10 顯示了系統(tǒng)模型的 100/1000BASE-T1 電路，以及根據(jù) IEC 61000-4-2 使用 4 kV ESD 脈沖對(duì)進(jìn)入 IC 的殘余電流進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)量和仿真的比較。

一般而言，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。仿真準(zhǔn)確捕獲了流入 IC 的電流脈沖的主要特性，相對(duì)于 ICCDM 限制屬于過沖，而相對(duì)于 IC HBM 限制屬于穩(wěn)態(tài)行為。

有關(guān)為汽車以太網(wǎng)電路設(shè)置瞬態(tài)系統(tǒng)級(jí) SEED 仿真的更多信息，以及有關(guān) CMC 和 ESD 發(fā)生器上帶回彈的高壓 ESD 保護(hù)的建模詳情，請(qǐng)參閱 Nexperia 白皮書《運(yùn)用SEED設(shè)計(jì)方法，根據(jù)開放技術(shù)聯(lián)盟 100BASE-T1 規(guī)范高效預(yù)測(cè) ESD 放電電流》[4]以及Nexperia汽車 ESD 手冊(cè)[5]。

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參考文獻(xiàn)

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.