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汽車以太網(wǎng)應(yīng)用的ESD保護

江師大電信小希 ? 來源:江師大電信小希 ? 作者:江師大電信小希 ? 2024-07-02 12:33 ? 次閱讀

數(shù)十年來,以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和計算網(wǎng)絡(luò),但如今,越來越多地部署到汽車應(yīng)用,取代了控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。汽車以太網(wǎng)提供拓?fù)潇`活性、高帶寬和穩(wěn)定的通信,能夠滿足原始設(shè)備制造商(OEM)從域向區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)過渡期間的車內(nèi)數(shù)據(jù)通信需求。本文首先討論各種汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),然后再考慮它們必須符合的嚴(yán)格靜電保護(ESD)和電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn)。最后介紹 Nexperia(安世半導(dǎo)體)的一系列元件,汽車 OEM 可利用這些元件確保車輛網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生 ESD 事件時得到全面保護。

汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

2016 年,開放技術(shù)聯(lián)盟(One Pair Ethernet Network,OPEN)委員會開發(fā)了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車以太網(wǎng)(隨后由 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化),主要滿足汽車應(yīng)用與電磁干擾(EMI)和兼容性(EMC)相關(guān)的特定要求。2020 年開發(fā)的 10BASE-T1S 可實現(xiàn)短距離多點網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@一特性使其非常適合支持車輛區(qū)域架構(gòu)。目前正在開發(fā)汽車以太網(wǎng)的千兆級版本(MGBASE-T1)。表1列出了每種標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格。

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表1:汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

保護汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

與計算設(shè)施中部署的以太網(wǎng)版本不同,100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用單一非屏蔽雙絞線(UTP)連接物理層接口(PHY),如圖1所示。UTP 電纜體積更小、重量更輕、成本更低且易于使用,這些都是汽車 OEM 的關(guān)鍵要求,但其結(jié)構(gòu)卻給 EMI 防護帶來了額外的挑戰(zhàn)。

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圖1:汽車以太網(wǎng)使用單一非屏蔽雙絞線

在現(xiàn)代汽車中,數(shù)百米長的電纜連接著多個管理各種功能的電子控制單元(ECU)。電纜通常捆綁在一起形成線束,這就大大增加了出現(xiàn) EMI 相關(guān)問題的可能性。在最壞的情況下,UTP 電纜中的 EMI 電壓振幅可高達 100 V,因此以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)必須足夠穩(wěn)定,能夠承受這些峰值。開放技術(shù)聯(lián)盟為汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點指定的保護電路如圖 2 所示。這包括一個共模扼流圈(CMC),用于過濾可能耦合到電纜上的不必要的共模噪聲,同時還有助于防止?jié)撛诘?ESD 破壞性影響。


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圖2:開放技術(shù)聯(lián)盟指定的汽車以太網(wǎng)保護電路

ESD 保護器件的關(guān)鍵要求是在低于 100 V 的電壓下不應(yīng)激活,同時為 24 V 工作電壓提供至少 15kV 的 ESD 保護(至少耐受1000次放電)。開放技術(shù)聯(lián)盟還建議 OEM 執(zhí)行一系列附加測試,雖然這些測試對于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 大體相似,但它們的通過標(biāo)準(zhǔn)不同。其中兩項測試旨在測量 ESD 保護器件對信號完整性(SI)的影響,并測量插入損耗(IL)、回波損耗(RL)和共模抑制比(CMMR)。ESD 放電電流測試可量化 ESD 事件期間流入 PHY 的電流,而射頻鉗位測試則旨在確保節(jié)點具有高達 100 V 的電磁兼容性。

在實際的汽車以太網(wǎng)部署中,ESD 保護的位置和布局至關(guān)重要。如圖3中的場掃描圖所示,該位置應(yīng)位于連接器處,以確保 ESD 脈沖在連接器處直接被鉗位接地,從而為包括 CMC 和 PHY 在內(nèi)的所有網(wǎng)絡(luò)電路提供最大保護。


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圖3 ESD 事件的影響取決于 ESD 電路的布局

在脈沖條件下,CMC 可減少對 PHY 的 ESD 應(yīng)力。當(dāng)瞬態(tài)脈沖擊中 CMC 時,它會阻斷電流一段時間,時間長短取決于脈沖的電壓電平,電壓越高,阻斷階段越短。(找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城)阻斷階段之后是飽和階段,在這個階段,CMC 的行為就像電感進入飽和狀態(tài)。一旦達到飽和,它就開始傳導(dǎo)電流,CMC 兩端的電壓開始下降。ESD 器件的封裝布線應(yīng)始終保持平直,避免出現(xiàn)任何接點或彎曲,差分信號的布線應(yīng)穿過 ESD 器件的焊盤。出于信號完整性的考慮,應(yīng)避免出現(xiàn)接點,差分線路的阻抗應(yīng)為 100 Ω。為此,必須將線路分開。圖4顯示了 Nexperia 針對不同封裝類型推薦的布線選項。


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圖4:SOT23 和 DFN 封裝 ESD 保護器件的布線選項

Nexperia為汽車以太網(wǎng)

提供全面的ESD保護器件系列

Nexperia(安世半導(dǎo)體)為汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供多種 ESD 保護器件(表2)。PESD2ETH 系列器件完全符合開放技術(shù)聯(lián)盟 100BASE-T1 標(biāo)準(zhǔn),采用小型 SOT23 表面貼裝塑料封裝,旨在保護兩條車載網(wǎng)絡(luò)總線線路免受 ESD 和其他瞬態(tài)事件的損壞。PESD2ETH1G 器件符合開放技術(shù)聯(lián)盟 IEEE 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 標(biāo)準(zhǔn),采用小型 DFN1006BD-2 (SOD882BD)表面貼裝塑料封裝。


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表2:來自 Nexperia 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 ESD 保護器件

Nexperia 還提供表3所示的符合開放技術(shù)聯(lián)盟 10BASE-T1S 標(biāo)準(zhǔn)的高穩(wěn)健性器件。它們的觸發(fā)電壓(Vt)超過 100 V,器件電容較低(< 0.5 pF),因此數(shù)據(jù)傳輸流暢,信號完整性出色。對于雙線封裝,它們的電容匹配規(guī)范為 2%(最大值)。


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表3:來 自Nexperia 的 10BASE-T1S ESD 保護器件

結(jié)論

本文討論了汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的保護要求,并介紹了有助于提高 ESD 和 EMI 穩(wěn)定性的電路板布局選項。無論是實施 100BASE-T、1000BASE-T 還是10BASE-T1S,汽車 OEM 都可以依靠 Nexperia 為其車載網(wǎng)絡(luò)提供所需規(guī)格和外形尺寸的保護器件。

審核編輯 黃宇

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