【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。
04 ESD保護器件的SI和影響
4.1. PCB 層疊
汽車(chē)應用最常用的是四層或更多層的印刷電路板（PCB）。大規模生產(chǎn)中的大多數應用通?；跇藴实?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(jiàn)的尺寸，它們適用各種用途，因此也很有價(jià)值。雖然太網(wǎng)應用很適合使用微帶線(xiàn)，但也可以使用帶狀線(xiàn)。
高速應用的重點(diǎn)是將數據走線(xiàn)保持在受控的電磁環(huán)境中。因此，應考慮將接地(GND)層放在走線(xiàn)正下方，且沒(méi)有任何切口和凹槽。同時(shí)建議在信號走線(xiàn)旁邊增加一個(gè)接地層。使用多個(gè)導通孔連接到接地層是一個(gè)不錯的選擇。這些措施不僅能改善 SI，還可改善 EMC，最大限度地減少 PCB 內的內部干擾。
4.2. 散射參數仿真
SI 是汽車(chē)以太網(wǎng)的關(guān)鍵因素之一。即使是 100 Mbps 和 1000 Mbps 的數據速率，也需要特別注意數據傳輸，尤其是在多節點(diǎn)以太網(wǎng)拓撲中。如第 3 節所述，ESD 保護器件的 SI 通過(guò)額外的測量進(jìn)行衡量。在本部分中，ESD 保護器件的散射參數是根據專(zhuān)門(mén)的 IL、RL 和 CMRR 限制測量的。
Nexperia（安世半導體）為 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 提供兩種不同封裝的 ESD 保護器件，分別是成熟的 SOT23 和無(wú)引腳 DFN1006BD。所有器件均使用 VNA 進(jìn)行測量，散射參數（參見(jiàn)圖12）可以應要求以標準格式（.s2p或.s4p）提供。
這些測得的散射參數可進(jìn)一步用于 SI 仿真。圖 13 顯示了 Keysight[3] ADS 高級設計系統中使用的框圖和仿真設置，其中微帶線(xiàn)（≈100 Ω 差分）使用內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 保護器件以及 CMC （DLW43MH201XK2L4532）用測得的散射參數表示。按照 803.2ch p203 中的建議，PHY 的影響用 50 Ω 和 0.1 pF 的相應終端來(lái)代表。顯示的仿真結果包括 803.2bp 中 IR 和 RL 的一些限制。在較高頻率下，結果略有差異，這主要是器件之間的電容差異造成的。
4.3. ESD保護器件的PCB布線(xiàn)
考慮 SI 和 ESD 性能時(shí)，ESD 保護器件的進(jìn)出 PCB 布線(xiàn)非常重要。出于 ESD 性能考量，將信號線(xiàn)嚴格布線(xiàn)在焊盤(pán)上并避開(kāi)任何短截線(xiàn)等非常重要。這些短截線(xiàn)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(cháng)的短截線(xiàn)。走線(xiàn)的阻抗保持在 100 Ω 對于 SI 性能非常重要，這意味著(zhù)在介電環(huán)境中需要仔細調整 PCB 和走線(xiàn)尺寸，并且在理想情況下兩條信號線(xiàn)為一條直線(xiàn)。在實(shí)際應用中，由于設計限制，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(jiàn)圖 15。對于 SOT23，最佳折中方案是選項 C，而對于 DFN1006BD 則為選項 A（見(jiàn)表2）。
從連接器布線(xiàn)到 IC 時(shí)應避免換層，因為會(huì )導致 SI 問(wèn)題，尤其是高速接口。當 ESD 保護器件不能與相應 IC 放置在同一層時(shí)，走線(xiàn)應越過(guò)ESD保護器件的焊盤(pán)，以確保 ESD 可靠地工作，如圖 17 所示。請插入相鄰的接地導通孔，為信號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)系統的整個(gè)拓撲結構中，節點(diǎn)之間的布線(xiàn)使用的是非屏蔽雙絞線(xiàn)（UTP）電纜，因此防止 EMI 非常必要。這些電纜通常捆扎成束，與車(chē)內使用的其他電纜相鄰放置。這種情況非常有可能在電纜線(xiàn)束中發(fā)生共模感應。如第 3 節所述，這可能會(huì )導致高電壓，因此而要求 ESD 保護器件的觸發(fā)電壓達到 100 V。此外，這種現象還導致需要 CMC 來(lái)降低 EMI。
CMC 的另一個(gè)作用是保護電路（尤其是IC），防止進(jìn)入電流。結合外部 ESD 保護器件，可達到最佳協(xié)同效果。要觀(guān)察 ESD 事件期間可能發(fā)生的單端激勵期間的 CMC 行為，可以使用 TLP 測量方法，如圖 18 所示。
在 TLP 測量期間，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)。但它完全被應用的 TLP 方法的測量偽影覆蓋[6]。CMC 的電感特性決定了它的阻斷機制，CMC 一般會(huì )在短時(shí)間內阻斷進(jìn)入的瞬態(tài)脈沖（圖 18 中的階段II），直至飽和。該阻斷機制的持續時(shí)間很大程度上與電壓和時(shí)間有關(guān)。在階段III，CMC 失去其感應特性，進(jìn)入飽和狀態(tài)并開(kāi)始傳導電流。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 節還會(huì )再講到這一點(diǎn)。
電壓越高，驅動(dòng) CMC 進(jìn)入飽和狀態(tài)的速度就越快。當查看圖 19 中具有不同電感的 CMC 的飽和時(shí)間時(shí)，可以清楚地觀(guān)察到這種現象。
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)現使用1812時(shí)的阻斷電壓比使用 1210 大約翻了一番。表現出這種特性的原因可能是鐵氧體體積更大。
基于這些結果，我們在表 3 提供了一些關(guān)于為汽車(chē)以太網(wǎng)應用選擇 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(lái)形成類(lèi)似齊納的IV曲線(xiàn)，參見(jiàn)圖 20 中的紅色曲線(xiàn)（紅色為競品 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 )導致 CMC 幾乎瞬間達到飽和，因此，殘余電流遠遠超過(guò)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（綠色和藍綠色分別代表競品 1 和 3 ）顯示觸發(fā)電壓高達 440 V，這一過(guò)高的電壓會(huì )導致顯著(zhù)的電流過(guò)沖，明顯違反限制（圖21）。盡管在進(jìn)行這些測量時(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(wú)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(zhù)增加，超過(guò)限制并可能損壞 PHY。
應再次強調的是，Nexperia（安世半導體）的 PESDxETHxy-Q 系列的所有器件都表現出與 PESD1ETH1GXLSQ 非常相似的特性，如圖 21 所示。在 Nexperia（安世半導體），鑒定和發(fā)布過(guò)程包含 ESD 放電電流測量。
07 汽車(chē)以太網(wǎng)應用的未來(lái)展望
除了已經(jīng)建立的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 應用和規范之外，還有一些其他觀(guān)點(diǎn)，尤其是拓撲結構。通過(guò)進(jìn)一步研究 UTP 的 EMC 特性發(fā)現，輻射要比屏蔽電纜高得多。這對于某些應用可能并不重要，但在某些應用中可能會(huì )導致嚴重的問(wèn)題，尤其是對于 FM 和 DAB 頻段的車(chē)用天線(xiàn)，Rosenberger 曾就此進(jìn)行過(guò)論述[7]。因此，也可以使用屏蔽電纜，例如屏蔽雙絞線(xiàn)（STP）。這將直接影響對拓撲的要求。首先，因為電纜的屏蔽層會(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（通常為 5 V、3.3 V 甚至更低）。
汽車(chē)以太網(wǎng)不斷發(fā)展，可用協(xié)議也將越來(lái)越多。協(xié)議擴展大體上分為兩種。第一個(gè)新協(xié)議是 10 BASE T1S，適用于較低的數據速率。它將填補以太網(wǎng)和 CAN 應用在 10 MBps 范圍內的空白。10BASE-T1S 計劃包含以太網(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。主要總線(xiàn)拓撲結構和使用 UTP 的布線(xiàn)將與 1000BASE-T1 等相同。電路也與 100BASE-T1 非常相似（參見(jiàn)圖 3），因此對 ESD 保護的要求基本相同。一個(gè)重要的區別是對器件電容有嚴格的要求，這主要是因為整個(gè)總線(xiàn)拓撲結構可能包括多達 50 個(gè)節點(diǎn)，導致電容負載較高。電容范圍將在 0.5 pF 的范圍內。
第二個(gè)新協(xié)議是 MGB-T1，它將開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟汽車(chē)以太網(wǎng)系列擴展到 2.5/5/10 Gbps 的更高數據速率。開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟委員會(huì )已經(jīng)在內部對 MGB-T1 進(jìn)行討論。其總線(xiàn)拓撲將不同于 100/1000BASE-T1。并且對 SI 和 EMC 有嚴格的要求，因此將使用屏蔽電纜。CMC 的使用也在公開(kāi)討論中。在使用屏蔽電纜且沒(méi)有 CMC 的配置中（在最壞的情況下），ESD 器件應與 PHY 的片上 ESD 保護相匹配。由于數據速率較高，SI 將成為 MGB.T1 應用中更為重要的因素。應結合使用低器件電容和具有更低寄生效應的緊湊型封裝，以滿(mǎn)足對 SI 的嚴格要求。
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.
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.
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