最大程度提高对汽车以太网应用的ESD保护

汽车以太网标准

2016年，开放技术联盟（One Pair Ethernet Network，OPEN）委员会开发了100BASE-T1和1000BASE-T1汽车以太网（随后由IEEE标准化），主要满足汽车应用与电磁干扰(EMI)和兼容性(EMC)相关的特定要求。2020年开发的10BASE-T1S可实现短距离多点网络拓扑，这一特性使其非常适合支持车辆区域架构。目前正在开发汽车以太网的千兆级版本(MGBASE-T1)。表1列出了每种标准的规格。

保护汽车以太网网络

与计算设施中部署的以太网版本不同，100BASE-T1和1000BASE-T1汽车以太网标准使用单一非屏蔽双绞线(UTP)连接物理层接口(PHY)，如图1所示。UTP电缆体积更小、重量更轻、成本更低且易于使用，这些都是汽车OEM的关键要求，但其结构却给EMI防护带来了额外的挑战。

在现代汽车中，数百米长的电缆连接着多个管理各种功能的电子控制单元(ECU)。电缆通常捆绑在一起形成线束，这就大大增加了出现EMI相关问题的可能性。在最坏的情况下，UTP电缆中的EMI电压振幅可高达100 V，因此以太网网络必须足够稳定，能够承受这些峰值。开放技术联盟为汽车以太网网络中的每个节点指定的保护电路如图2所示。这包括一个共模扼流圈(CMC)，用于过滤可能耦合到电缆上的不必要的共模噪声，同时还有助于防止潜在的ESD破坏性影响。

ESD保护器件的关键要求是在低于100 V的电压下不应激活，同时为24 V工作电压提供至少15kV的ESD保护（至少耐受1000次放电）。开放技术联盟还建议OEM执行一系列附加测试，虽然这些测试对于100BASE-T1和1000BASE-T1大体相似，但它们的通过标准不同。其中两项测试旨在测量ESD保护器件对信号完整性(SI)的影响，并测量插入损耗(IL)、回波损耗(RL)和共模抑制比(CMMR)。ESD放电电流测试可量化ESD事件期间流入PHY的电流，而射频钳位测试则旨在确保节点具有高达100 V的电磁兼容性。

在实际的汽车以太网部署中，ESD保护的位置和布局至关重要。如图3中的场扫描图所示，该位置应位于连接器处，以确保ESD脉冲在连接器处直接被钳位接地，从而为包括CMC和PHY在内的所有网络电路提供最大保护。

在脉冲条件下，CMC可减少对PHY的ESD应力。当瞬态脉冲击中CMC时，它会阻断电流一段时间，时间长短取决于脉冲的电压电平，电压越高，阻断阶段越短。阻断阶段之后是饱和阶段，在这个阶段，CMC的行为就像电感进入饱和状态。一旦达到饱和，它就开始传导电流，CMC两端的电压开始下降。ESD器件的封装布线应始终保持平直，避免出现任何接点或弯曲，差分信号的布线应穿过ESD器件的焊盘。出于信号完整性的考虑，应避免出现接点，差分线路的阻抗应为100 Ω。为此，必须将线路分开。图4显示了Nexperia针对不同封装类型推荐的布线选项。

Nexperia为汽车以太网提供全面的ESD保护器件系列

Nexperia为汽车以太网网络提供多种ESD保护器件（表2）。PESD2ETH系列器件完全符合开放技术联盟100BASE-T1标准，采用小型SOT23表面贴装塑料封装，旨在保护两条车载网络总线线路免受ESD和其他瞬态事件的损坏。PESD2ETH1G器件符合开放技术联盟IEEE 100BASE-T1和1000BASE-T1标准，采用小型DFN1006BD-2 (SOD882BD)表面贴装塑料封装。

Nexperia还提供表3所示的符合开放技术联盟10BASE-T1S标准的高稳健性器件。它们的触发电压(Vt)超过100 V，器件电容较低(< 0.5 pF)，因此数据传输流畅，信号完整性出色。对于双线封装，它们的电容匹配规范为2%（最大值）。