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AN90039用于汽车以太网应用的ESD保护器件(100Base-T1、1000Base-T1)(下)

发布时间:2023-06-09 来源:安世半导体 责任编辑:wenwei

【导读】本应用笔记介绍适用于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的现代半导体 ESD 保护器件的特性。ESD 保护器件的作用是实现稳健的系统,使系统能够承受破坏性的 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)来增强这种耐受性的建议。


04 ESD保护器件的SI和影响


4.1. PCB 层叠


汽车应用最常用的是四层或更多层的印刷电路板(PCB)。大规模生产中的大多数应用通常基于标准的 FR4 PCB 技术。典型 PCB 层叠及尺寸如图 11 所示。需要注意的是,这种层叠只是一个例子。PCB 还有很多常见的尺寸,它们适用各种用途,因此也很有价值。虽然太网应用很适合使用微带线,但也可以使用带状线。


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高速应用的重点是将数据走线保持在受控的电磁环境中。因此,应考虑将接地(GND)层放在走线正下方,且没有任何切口和凹槽。同时建议在信号走线旁边增加一个接地层。使用多个导通孔连接到接地层是一个不错的选择。这些措施不仅能改善 SI,还可改善 EMC,最大限度地减少 PCB 内的内部干扰。


4.2. 散射参数仿真


SI 是汽车以太网的关键因素之一。即使是 100 Mbps 和 1000 Mbps 的数据速率,也需要特别注意数据传输,尤其是在多节点以太网拓扑中。如第 3 节所述,ESD 保护器件的 SI 通过额外的测量进行衡量。在本部分中,ESD 保护器件的散射参数是根据专门的 IL、RL 和 CMRR 限制测量的。


Nexperia(安世半导体)为 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 提供两种不同封装的 ESD 保护器件,分别是成熟的 SOT23 和无引脚 DFN1006BD。所有器件均使用 VNA 进行测量,散射参数(参见图12)可以应要求以标准格式(.s2p或.s4p)提供。


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这些测得的散射参数可进一步用于 SI 仿真。图 13 显示了 Keysight[3] ADS 高级设计系统中使用的框图和仿真设置,其中微带线(≈100 Ω 差分)使用内置模型表示并采用典型的有损 FR4 PCB 材料。直流模块和端接网络仿真使用的是理想的集总元件。ESD 保护器件以及 CMC (DLW43MH201XK2L4532)用测得的散射参数表示。按照 803.2ch p203 中的建议,PHY 的影响用 50 Ω 和 0.1 pF 的相应终端来代表。显示的仿真结果包括 803.2bp 中 IR 和 RL 的一些限制。在较高频率下,结果略有差异,这主要是器件之间的电容差异造成的。


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4.3. ESD保护器件的PCB布线


考虑 SI 和 ESD 性能时,ESD 保护器件的进出 PCB 布线非常重要。出于 ESD 性能考量,将信号线严格布线在焊盘上并避开任何短截线等非常重要。这些短截线本身就有一些寄生电感,会阻碍 ESD 脉冲进入 ESD 器件,尤其是较长的短截线。走线的阻抗保持在 100 Ω 对于 SI 性能非常重要,这意味着在介电环境中需要仔细调整 PCB 和走线尺寸,并且在理想情况下两条信号线为一条直线。在实际应用中,由于设计限制,可能需要在最佳 SI 和 ESD 性能之间作出取舍。我们研究了适合 SOT23 和 DFN1006BD 这两种不同封装的几种选择,具体参见图 15。对于 SOT23,最佳折中方案是选项 C,而对于 DFN1006BD 则为选项 A(见表2)。


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从连接器布线到 IC 时应避免换层,因为会导致 SI 问题,尤其是高速接口。当 ESD 保护器件不能与相应 IC 放置在同一层时,走线应越过ESD保护器件的焊盘,以确保 ESD 可靠地工作,如图 17 所示。请插入相邻的接地导通孔,为信号传输提供合适的接地参考。


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05 如何选择共模扼流圈(CMC)


CMC 是以太网电路中非常重要的组件。它最初的作用(与CMT结合使用)是阻断共模电流,从而防止电磁辐射(EMI)。在以太网系统的整个拓扑结构中,节点之间的布线使用的是非屏蔽双绞线(UTP)电缆,因此防止 EMI 非常必要。这些电缆通常捆扎成束,与车内使用的其他电缆相邻放置。这种情况非常有可能在电缆线束中发生共模感应。如第 3 节所述,这可能会导致高电压,因此而要求 ESD 保护器件的触发电压达到 100 V。此外,这种现象还导致需要 CMC 来降低 EMI。


CMC 的另一个作用是保护电路(尤其是IC),防止进入电流。结合外部 ESD 保护器件,可达到最佳协同效果。要观察 ESD 事件期间可能发生的单端激励期间的 CMC 行为,可以使用 TLP 测量方法,如图 18 所示。


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在 TLP 测量期间,电流的第一个峰值(图 18 中的阶段I)与扼流圈的寄生电容部分相关。但它完全被应用的 TLP 方法的测量伪影覆盖[6]。CMC 的电感特性决定了它的阻断机制,CMC 一般会在短时间内阻断进入的瞬态脉冲(图 18 中的阶段II),直至饱和。该阻断机制的持续时间很大程度上与电压和时间有关。在阶段III,CMC 失去其感应特性,进入饱和状态并开始传导电流。此时重要的是脉冲电压越高, CMC 进入饱和的速度就越快。第 6 节还会再讲到这一点。


电压越高,驱动 CMC 进入饱和状态的速度就越快。当查看图 19 中具有不同电感的 CMC 的饱和时间时,可以清楚地观察到这种现象。


另一个因素是封装或 CMC 的大小。进一步研究比较具有相同电感但采用不同封装的 CMC 的 TLP 图表时,我们发现使用1812时的阻断电压比使用 1210 大约翻了一番。表现出这种特性的原因可能是铁氧体体积更大。


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基于这些结果,我们在表 3 提供了一些关于为汽车以太网应用选择 CMC 的建议。


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如果有足够的 SI 裕量,更好的做法是在铁氧体材料含量更高的更大封装中使用 CMC,从而获得更高的阻断能力。


06 硅基技术和其他ESD技术


除了成熟的硅基技术外,还有其他几种具有高触发特性的技术。最流行的是基于压敏电阻的技术,这种技术使用特定的陶瓷材料来形成类似齐纳的IV曲线,参见图 20 中的红色曲线(红色为竞品 2)。然而,由于缺少回弹,压敏电阻只能提供非常高的钳位电压。在 20 A时,与 PESD2ETH1GXT-Q 相差约为 300 V。这个差距非常大,会导致 CMC 几乎瞬间达到饱和,因此,残余电流远远超过限制,如图 21 所示。


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其他抑制技术(聚合物或陶瓷)有回弹功能,但需要两倍以上的触发电压。图 20(绿色和蓝绿色分别代表竞品 1 和 3 )显示触发电压高达 440 V,这一过高的电压会导致显著的电流过冲,明显违反限制(图21)。尽管在进行这些测量时包括了完整的以太网电路(包括 CMC),但那些高触发电压和钳位电压会驱动任何典型的 CMC 非常快速地进入饱和状态,因此 CMC 的阻断功能无法发挥其有益作用。最终,PHY 的 IO 引脚上的电压和电流将显著增加,超过限制并可能损坏 PHY。


应再次强调的是,Nexperia(安世半导体)的 PESDxETHxy-Q 系列的所有器件都表现出与 PESD1ETH1GXLSQ 非常相似的特性,如图 21 所示。在 Nexperia(安世半导体),鉴定和发布过程包含 ESD 放电电流测量。


07 汽车以太网应用的未来展望


除了已经建立的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 应用和规范之外,还有一些其他观点,尤其是拓扑结构。通过进一步研究 UTP 的 EMC 特性发现,辐射要比屏蔽电缆高得多。这对于某些应用可能并不重要,但在某些应用中可能会导致严重的问题,尤其是对于 FM 和 DAB 频段的车用天线,Rosenberger 曾就此进行过论述[7]。因此,也可以使用屏蔽电缆,例如屏蔽双绞线(STP)。这将直接影响对拓扑的要求。首先,因为电缆的屏蔽层会减轻共模耦合,所以不需要 CMC。其次,由于采用屏蔽电缆,不再需要 100 V 的触发电压。ESD 保护器件需要具有低触发和最低钳位电压特性,Vrwm 在低于 10 V 的范围内(通常为 5 V、3.3 V 甚至更低)。


汽车以太网不断发展,可用协议也将越来越多。协议扩展大体上分为两种。第一个新协议是 10 BASE  T1S,适用于较低的数据速率。它将填补以太网和 CAN 应用在 10 MBps 范围内的空白。10BASE-T1S 计划包含以太网协议的大部分优点,同时也是一个低成本系统。主要总线拓扑结构和使用 UTP 的布线将与 1000BASE-T1 等相同。电路也与 100BASE-T1 非常相似(参见图 3),因此对 ESD 保护的要求基本相同。一个重要的区别是对器件电容有严格的要求,这主要是因为整个总线拓扑结构可能包括多达 50 个节点,导致电容负载较高。电容范围将在 0.5 pF 的范围内。


第二个新协议是 MGB-T1,它将开放技术联盟汽车以太网系列扩展到 2.5/5/10 Gbps 的更高数据速率。开放技术联盟委员会已经在内部对 MGB-T1 进行讨论。其总线拓扑将不同于 100/1000BASE-T1。并且对 SI 和 EMC 有严格的要求,因此将使用屏蔽电缆。CMC 的使用也在公开讨论中。在使用屏蔽电缆且没有 CMC 的配置中(在最坏的情况下),ESD 器件应与 PHY 的片上 ESD 保护相匹配。由于数据速率较高,SI 将成为 MGB.T1 应用中更为重要的因素。应结合使用低器件电容和具有更低寄生效应的紧凑型封装,以满足对 SI 的严格要求。


参考文献


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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