【導讀】本應用筆記介紹適用于 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(shí)現穩健的系統，使系統能夠承受破壞性的 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(lái)增強這種耐受性的建議。
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01 引言
目前有幾種以太網(wǎng)解決方案在工業(yè)和商業(yè)應用中非常流行，但幾十年來(lái)，并沒(méi)有在汽車(chē)領(lǐng)域得到廣泛采用。到 2016 年，汽車(chē)行業(yè)中共推出了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 兩個(gè)標準。另外兩個(gè)標準 10BASE-T1S 和 MGB-T1（千兆級）正在開(kāi)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)標準基于工業(yè)和商業(yè)以太網(wǎng)應用，但針對一些特定的汽車(chē)要求進(jìn)行了修訂，這類(lèi)要求主要與電磁兼容性（EMC）有關(guān)[1]。這些修訂由開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟委員會(huì )完成。
汽車(chē)以太網(wǎng)可實(shí)現快速穩定的數據通信，能夠為多個(gè)電子控制單元（ECU）總線(xiàn)拓撲賦予靈活性，非常有望滿(mǎn)足未來(lái)的實(shí)時(shí)數據共享、帶寬和穩定工作需求。這些特性有助于加速汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )架構從域架構向區域架構的演進(jìn)。汽車(chē)以太網(wǎng)可以與其他幾種協(xié)議配對使用，例如音頻和視頻（AVB），因此，更有機會(huì )在 ADAS、X-Domain 和其他復雜系統中使用。
本應用筆記將介紹適用于 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(fā)揮協(xié)同作用，從而讓系統能夠耐受破壞性的 ESD 事件并具有更出色的EMC性能。此外，本文還將針對使用共模扼流圈（CMC）來(lái)增強這種耐受性提供建議。
02 100BASE-T1和1000BASE-T1的拓撲結構
汽車(chē)以太網(wǎng)用法靈活，并能顯著(zhù)提高數據速率（與傳統的 CAN HS/FD 相比），因此能夠橋接各種復雜的通信域，如圖1所示。這一特性進(jìn)一步強化汽車(chē)以太網(wǎng)在未來(lái)車(chē)載數據通信架構中的作用，而在未來(lái)，ADAS、信息娛樂(lè )系統和動(dòng)力系統等關(guān)鍵應用將在汽車(chē)領(lǐng)域內顯著(zhù)增長(cháng)。
ECU通常使用非屏蔽雙絞線(xiàn)（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(jiǎn)單、成本低。但是，應該考慮到非屏蔽電纜可能會(huì )出現電磁噪聲耦合方面的問(wèn)題。在真實(shí)的汽車(chē)線(xiàn)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。具體而言，在典型總線(xiàn)拓撲的 UTP 內，感應電氣噪聲可達到 100 V，這已經(jīng)得到幾個(gè)測試中心的證實(shí)。在這種情況下，ESD 保護器件不能觸發(fā)，以避免發(fā)生通信故障和鏈路丟失。這就提出了一項新的要求，即 ESD 保護器件的觸發(fā)電壓要高于 100 V。
開(kāi)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。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 保護二極管，或者在 DFN1006BD 封裝中為每條單獨的線(xiàn)路包含兩個(gè) ESD 二極管。在其他類(lèi)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100/1000MBase-T1 規范的要求，觸發(fā)電壓超過(guò) 100 V 的 ESD 保護器件置于連接器上、CMC 前面時(shí)，可以發(fā)揮更顯著(zhù)的保護作用。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 之間的主要區別在于帶寬（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(huì )體現在一些電路的選擇上。相較于 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(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟（OA）關(guān)于 100BASE-T1、1000BASE-T1 和千兆級應用的規定。本應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保護器件
由于 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規范（汽車(chē)以太網(wǎng)規范（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(méi)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(guò)一組測量對 ESD 保護器件的合規性進(jìn)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(guò)”和“未通過(guò)”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。具體限制參見(jiàn)相應規范的附錄。
3.1. 散射參數
散射參數測量的理念是在頻域中觀(guān)察 ESD 保護器件的 SI 行為，即插入損耗（IL）、回波損耗（RL）和共模抑制比（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(chēng)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(jiǎn)而言之，IL表示通過(guò) ESD 器件傳輸的信號量?？梢詫⑵淇醋魇且粋€(gè)以阻抗為重點(diǎn)的傳遞函數?！巴ㄟ^(guò)”條件是保持在規范中定義的限制之上。
? 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(huì )也對此定義了限制?！巴ㄟ^(guò)”條件是保持在限制以下。
? 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(wǎng)絡(luò )中的不對稱(chēng)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制都不相同。
3.2. ESD 損壞：ESD 事件后測試信號完整性
該測試的重點(diǎn)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(gè)極性 20 個(gè)脈沖前后完成的。目標規范是，在 ESD 應力脈沖后，ESD 器件在 1 MHz 至 200 MHz 的頻率范圍內的偏差不允許超過(guò) 1 dB。圖6 顯示其中一個(gè) 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 脈沖鉗位到地。然而，在實(shí)際應用中，總有一部分脈沖會(huì )越過(guò) ESD 保護進(jìn)入 PHY。該殘余電流是評估 ESD 器件保護能力的重要參數。對于開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟以太網(wǎng) 100/ 1000BASE-T1，該殘余電流是使用標準化設置測量的。設置參見(jiàn)圖 7。包括 CMC和 ESD 保護在內的整個(gè)電路都包含在該設置中。PHY 的特性用一個(gè) 2 Ω 電阻器進(jìn)行了簡(jiǎn)化。
兩個(gè)極性的測量都在最高 15 kV 的電壓下進(jìn)行的?！巴ㄟ^(guò)”條件限制來(lái)自于 2 kV 和 4 kV 人體模型(HBM)。
圖 8 顯示了 15 kV 脈沖的結果，包括來(lái)自 ESD 槍的限制和參考電流。
3.4. SEED——ESD 放電電流仿真測量
系統 ESD 性能的系統預測并不簡(jiǎn)單。獨立收發(fā)器和無(wú)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系統 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。這里要特別注意外部 ESD 保護、CMC 以及 IC PHY 收發(fā)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(xiàn)性高電流行為。
系統高效 ESD 設計（SEED）方法允許仿真整個(gè)系統中與 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(guò)這種綜合仿真方法，可以預測流經(jīng)系統不同部分的殘余 ESD 應力電流以及不同系統節點(diǎn)的電壓。
通過(guò)評估 IC PHY 收發(fā)器數據引腳違反關(guān)鍵準靜態(tài)和動(dòng)態(tài) IV 限制的情況，可以確定系統級 ESD 耐受性。圖 10 顯示了系統模型的 100/1000BASE-T1 電路，以及根據 IEC 61000-4-2 使用 4 kV ESD 脈沖對進(jìn)入 IC 的殘余電流進(jìn)行系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 的電流脈沖的主要特性，相對于 ICCDM 限制屬于過(guò)沖，而相對于 IC HBM 限制屬于穩態(tài)行為。
有關(guān)為汽車(chē)以太網(wǎng)電路設置瞬態(tài)系統級 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 保護的建模詳情，請參閱 Nexperia 白皮書(shū)《運用SEED設計方法，根據開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟 100BASE-T1 規范高效預測 ESD 放電電流》[4]以及Nexperia汽車(chē) 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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