AN90039用于汽車以太網(wǎng)應(yīng)用的ESD保護(hù)器件（100Base-T1、1000Base-T1）（下）

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。

04 ESD保護(hù)器件的SI和影響

4.1. PCB 層疊

汽車應(yīng)用最常用的是四層或更多層的印刷電路板（PCB）。大規(guī)模生產(chǎn)中的大多數(shù)應(yīng)用通常基于標(biāo)準(zhǔn)的 FR4 PCB 技術(shù)。典型 PCB 層疊及尺寸如圖 11 所示。需要注意的是，這種層疊只是一個(gè)例子。PCB 還有很多常見的尺寸，它們適用各種用途，因此也很有價(jià)值。雖然太網(wǎng)應(yīng)用很適合使用微帶線，但也可以使用帶狀線。

高速應(yīng)用的重點(diǎn)是將數(shù)據(jù)走線保持在受控的電磁環(huán)境中。因此，應(yīng)考慮將接地(GND)層放在走線正下方，且沒有任何切口和凹槽。同時(shí)建議在信號(hào)走線旁邊增加一個(gè)接地層。使用多個(gè)導(dǎo)通孔連接到接地層是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這些措施不僅能改善 SI，還可改善 EMC，最大限度地減少 PCB 內(nèi)的內(nèi)部干擾。

4.2. 散射參數(shù)仿真

SI 是汽車以太網(wǎng)的關(guān)鍵因素之一。即使是 100 Mbps 和 1000 Mbps 的數(shù)據(jù)速率，也需要特別注意數(shù)據(jù)傳輸，尤其是在多節(jié)點(diǎn)以太網(wǎng)拓?fù)渲?。如?3 節(jié)所述，ESD 保護(hù)器件的 SI 通過額外的測(cè)量進(jìn)行衡量。在本部分中，ESD 保護(hù)器件的散射參數(shù)是根據(jù)專門的 IL、RL 和 CMRR 限制測(cè)量的。

Nexperia（安世半導(dǎo)體）為 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 提供兩種不同封裝的 ESD 保護(hù)器件，分別是成熟的 SOT23 和無引腳 DFN1006BD。所有器件均使用 VNA 進(jìn)行測(cè)量，散射參數(shù)（參見圖12）可以應(yīng)要求以標(biāo)準(zhǔn)格式（.s2p或.s4p）提供。

這些測(cè)得的散射參數(shù)可進(jìn)一步用于 SI 仿真。圖 13 顯示了 Keysight[3] ADS 高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中使用的框圖和仿真設(shè)置，其中微帶線（≈100 Ω 差分）使用內(nèi)置模型表示并采用典型的有損 FR4 PCB 材料。直流模塊和端接網(wǎng)絡(luò)仿真使用的是理想的集總元件。ESD 保護(hù)器件以及 CMC （DLW43MH201XK2L4532）用測(cè)得的散射參數(shù)表示。按照 803.2ch p203 中的建議，PHY 的影響用 50 Ω 和 0.1 pF 的相應(yīng)終端來代表。顯示的仿真結(jié)果包括 803.2bp 中 IR 和 RL 的一些限制。在較高頻率下，結(jié)果略有差異，這主要是器件之間的電容差異造成的。

4.3. ESD保護(hù)器件的PCB布線

考慮 SI 和 ESD 性能時(shí)，ESD 保護(hù)器件的進(jìn)出 PCB 布線非常重要。出于 ESD 性能考量，將信號(hào)線嚴(yán)格布線在焊盤上并避開任何短截線等非常重要。這些短截線本身就有一些寄生電感，會(huì)阻礙 ESD 脈沖進(jìn)入 ESD 器件，尤其是較長(zhǎng)的短截線。走線的阻抗保持在 100 Ω 對(duì)于 SI 性能非常重要，這意味著在介電環(huán)境中需要仔細(xì)調(diào)整 PCB 和走線尺寸，并且在理想情況下兩條信號(hào)線為一條直線。在實(shí)際應(yīng)用中，由于設(shè)計(jì)限制，可能需要在最佳 SI 和 ESD 性能之間作出取舍。我們研究了適合 SOT23 和 DFN1006BD 這兩種不同封裝的幾種選擇，具體參見圖 15。對(duì)于 SOT23，最佳折中方案是選項(xiàng) C，而對(duì)于 DFN1006BD 則為選項(xiàng) A（見表2）。

從連接器布線到 IC 時(shí)應(yīng)避免換層，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致 SI 問題，尤其是高速接口。當(dāng) ESD 保護(hù)器件不能與相應(yīng) IC 放置在同一層時(shí)，走線應(yīng)越過ESD保護(hù)器件的焊盤，以確保 ESD 可靠地工作，如圖 17 所示。請(qǐng)插入相鄰的接地導(dǎo)通孔，為信號(hào)傳輸提供合適的接地參考。

05 如何選擇共模扼流圈(CMC)

CMC 是以太網(wǎng)電路中非常重要的組件。它最初的作用（與CMT結(jié)合使用）是阻斷共模電流，從而防止電磁輻射（EMI）。在以太網(wǎng)系統(tǒng)的整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)之間的布線使用的是非屏蔽雙絞線（UTP）電纜，因此防止 EMI 非常必要。這些電纜通常捆扎成束，與車內(nèi)使用的其他電纜相鄰放置。這種情況非常有可能在電纜線束中發(fā)生共模感應(yīng)。如第 3 節(jié)所述，這可能會(huì)導(dǎo)致高電壓，因此而要求 ESD 保護(hù)器件的觸發(fā)電壓達(dá)到 100 V。此外，這種現(xiàn)象還導(dǎo)致需要 CMC 來降低 EMI。

CMC 的另一個(gè)作用是保護(hù)電路（尤其是IC），防止進(jìn)入電流。結(jié)合外部 ESD 保護(hù)器件，可達(dá)到最佳協(xié)同效果。要觀察 ESD 事件期間可能發(fā)生的單端激勵(lì)期間的 CMC 行為，可以使用 TLP 測(cè)量方法，如圖 18 所示。

在 TLP 測(cè)量期間，電流的第一個(gè)峰值（圖 18 中的階段I）與扼流圈的寄生電容部分相關(guān)。但它完全被應(yīng)用的 TLP 方法的測(cè)量偽影覆蓋[6]。CMC 的電感特性決定了它的阻斷機(jī)制，CMC 一般會(huì)在短時(shí)間內(nèi)阻斷進(jìn)入的瞬態(tài)脈沖（圖 18 中的階段II），直至飽和。該阻斷機(jī)制的持續(xù)時(shí)間很大程度上與電壓和時(shí)間有關(guān)。在階段III，CMC 失去其感應(yīng)特性，進(jìn)入飽和狀態(tài)并開始傳導(dǎo)電流。此時(shí)重要的是脈沖電壓越高， CMC 進(jìn)入飽和的速度就越快。第 6 節(jié)還會(huì)再講到這一點(diǎn)。

電壓越高，驅(qū)動(dòng) CMC 進(jìn)入飽和狀態(tài)的速度就越快。當(dāng)查看圖 19 中具有不同電感的 CMC 的飽和時(shí)間時(shí)，可以清楚地觀察到這種現(xiàn)象。

另一個(gè)因素是封裝或 CMC 的大小。進(jìn)一步研究比較具有相同電感但采用不同封裝的 CMC 的 TLP 圖表時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)使用1812時(shí)的阻斷電壓比使用 1210 大約翻了一番。表現(xiàn)出這種特性的原因可能是鐵氧體體積更大。

基于這些結(jié)果，我們?cè)诒?3 提供了一些關(guān)于為汽車以太網(wǎng)應(yīng)用選擇 CMC 的建議。

如果有足夠的 SI 裕量，更好的做法是在鐵氧體材料含量更高的更大封裝中使用 CMC，從而獲得更高的阻斷能力。

06 硅基技術(shù)和其他ESD技術(shù)

除了成熟的硅基技術(shù)外，還有其他幾種具有高觸發(fā)特性的技術(shù)。最流行的是基于壓敏電阻的技術(shù)，這種技術(shù)使用特定的陶瓷材料來形成類似齊納的IV曲線，參見圖 20 中的紅色曲線（紅色為競(jìng)品 2）。然而，由于缺少回彈，壓敏電阻只能提供非常高的鉗位電壓。在 20 A時(shí)，與 PESD2ETH1GXT-Q 相差約為 300 V。這個(gè)差距非常大，會(huì)導(dǎo)致 CMC 幾乎瞬間達(dá)到飽和，因此，殘余電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過限制，如圖 21 所示。

其他抑制技術(shù)（聚合物或陶瓷）有回彈功能，但需要兩倍以上的觸發(fā)電壓。圖 20（綠色和藍(lán)綠色分別代表競(jìng)品 1 和 3 ）顯示觸發(fā)電壓高達(dá) 440 V，這一過高的電壓會(huì)導(dǎo)致顯著的電流過沖，明顯違反限制（圖21）。盡管在進(jìn)行這些測(cè)量時(shí)包括了完整的以太網(wǎng)電路（包括 CMC），但那些高觸發(fā)電壓和鉗位電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)任何典型的 CMC 非?？焖俚剡M(jìn)入飽和狀態(tài)，因此 CMC 的阻斷功能無法發(fā)揮其有益作用。最終，PHY 的 IO 引腳上的電壓和電流將顯著增加，超過限制并可能損壞 PHY。

應(yīng)再次強(qiáng)調(diào)的是，Nexperia（安世半導(dǎo)體）的 PESDxETHxy-Q 系列的所有器件都表現(xiàn)出與 PESD1ETH1GXLSQ 非常相似的特性，如圖 21 所示。在 Nexperia（安世半導(dǎo)體），鑒定和發(fā)布過程包含 ESD 放電電流測(cè)量。

07 汽車以太網(wǎng)應(yīng)用的未來展望

除了已經(jīng)建立的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 應(yīng)用和規(guī)范之外，還有一些其他觀點(diǎn)，尤其是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過進(jìn)一步研究 UTP 的 EMC 特性發(fā)現(xiàn)，輻射要比屏蔽電纜高得多。這對(duì)于某些應(yīng)用可能并不重要，但在某些應(yīng)用中可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問題，尤其是對(duì)于 FM 和 DAB 頻段的車用天線，Rosenberger 曾就此進(jìn)行過論述[7]。因此，也可以使用屏蔽電纜，例如屏蔽雙絞線（STP）。這將直接影響對(duì)拓?fù)涞囊?。首先，因?yàn)殡娎|的屏蔽層會(huì)減輕共模耦合，所以不需要 CMC。其次，由于采用屏蔽電纜，不再需要 100 V 的觸發(fā)電壓。ESD 保護(hù)器件需要具有低觸發(fā)和最低鉗位電壓特性，Vrwm 在低于 10 V 的范圍內(nèi)（通常為 5 V、3.3 V 甚至更低）。

汽車以太網(wǎng)不斷發(fā)展，可用協(xié)議也將越來越多。協(xié)議擴(kuò)展大體上分為兩種。第一個(gè)新協(xié)議是 10 BASE  T1S，適用于較低的數(shù)據(jù)速率。它將填補(bǔ)以太網(wǎng)和 CAN 應(yīng)用在 10 MBps 范圍內(nèi)的空白。10BASE-T1S 計(jì)劃包含以太網(wǎng)協(xié)議的大部分優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是一個(gè)低成本系統(tǒng)。主要總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和使用 UTP 的布線將與 1000BASE-T1 等相同。電路也與 100BASE-T1 非常相似（參見圖 3），因此對(duì) ESD 保護(hù)的要求基本相同。一個(gè)重要的區(qū)別是對(duì)器件電容有嚴(yán)格的要求，這主要是因?yàn)檎麄€(gè)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能包括多達(dá) 50 個(gè)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致電容負(fù)載較高。電容范圍將在 0.5 pF 的范圍內(nèi)。

第二個(gè)新協(xié)議是 MGB-T1，它將開放技術(shù)聯(lián)盟汽車以太網(wǎng)系列擴(kuò)展到 2.5/5/10 Gbps 的更高數(shù)據(jù)速率。開放技術(shù)聯(lián)盟委員會(huì)已經(jīng)在內(nèi)部對(duì) MGB-T1 進(jìn)行討論。其總線拓?fù)鋵⒉煌?100/1000BASE-T1。并且對(duì) SI 和 EMC 有嚴(yán)格的要求，因此將使用屏蔽電纜。CMC 的使用也在公開討論中。在使用屏蔽電纜且沒有 CMC 的配置中（在最壞的情況下），ESD 器件應(yīng)與 PHY 的片上 ESD 保護(hù)相匹配。由于數(shù)據(jù)速率較高，SI 將成為 MGB.T1 應(yīng)用中更為重要的因素。應(yīng)結(jié)合使用低器件電容和具有更低寄生效應(yīng)的緊湊型封裝，以滿足對(duì) SI 的嚴(yán)格要求。

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.

6. High Power Pulse Instruments. “How to Use Picoprobes and Flexible Pitch Probes.”https://www.hppi.de/files/AN-010.pdf, 2021.

7. “Kassieren Sie die Schirmungsdividende!”, Application Note, 2022.