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

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。

本应用笔记分为（上）（下）两部分，您现在看到的是（上）。

01 引言

目前有几种以太网解决方案在工业和商业应用中非常流行，但几十年来，并没有在汽车领域得到广泛采用。到 2016 年，汽车行业中共推出了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 两个标准。另外两个标准 10BASE-T1S 和 MGB-T1（千兆级）正在开发中。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 由电气与电子工程师协会（IEEE）发布，并包含在IEEE 802.3bw和IEEE 802.3bp中。虽然这两个标准基于工业和商业以太网应用，但针对一些特定的汽车要求进行了修订，这类要求主要与电磁兼容性（EMC）有关[1]。这些修订由开放技术联盟委员会完成。

汽车以太网可实现快速稳定的数据通信，能够为多个电子控制单元（ECU）总线拓扑赋予灵活性，非常有望满足未来的实时数据共享、带宽和稳定工作需求。这些特性有助于加速汽车网络架构从域架构向区域架构的演进。汽车以太网可以与其他几种协议配对使用，例如音频和视频（AVB），因此，更有机会在 ADAS、X-Domain 和其他复杂系统中使用。

本应用笔记将介绍适用于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的现代半导体 ESD 保护器件的特性。本文将展示 ESD 保护器件如何在电路中发挥协同作用，从而让系统能够耐受破坏性的 ESD 事件并具有更出色的EMC性能。此外，本文还将针对使用共模扼流圈（CMC）来增强这种耐受性提供建议。

02 100BASE-T1和1000BASE-T1的拓扑结构

汽车以太网用法灵活，并能显著提高数据速率（与传统的 CAN HS/FD 相比），因此能够桥接各种复杂的通信域，如图1所示。这一特性进一步强化汽车以太网在未来车载数据通信架构中的作用，而在未来，ADAS、信息娱乐系统和动力系统等关键应用将在汽车领域内显著增长。

ECU通常使用非屏蔽双绞线（UTP）相互连接，就像在 CAN 或 FlexRay 应用中一样（图2）。

这种做法有一些好处，例如使用简单、成本低。但是，应该考虑到非屏蔽电缆可能会出现电磁噪声耦合方面的问题。在真实的汽车线束中，不同的电缆会组合成一束电缆，因此它们之间存在一定的干扰风险。具体而言，在典型总线拓扑的 UTP 内，感应电气噪声可达到 100 V，这已经得到几个测试中心的证实。在这种情况下，ESD 保护器件不能触发，以避免发生通信故障和链路丢失。这就提出了一项新的要求，即 ESD 保护器件的触发电压要高于 100 V。

开放技术联盟推荐了一个包含电子元件的原理图，如图 3 所示。

左侧的收发器模块包含物理层接口（PHY）以及一些基本的滤波元件和片上 ESD 保护。下一个必须具有的模块是带有共模终端的共模扼流圈（CMC），用于减少不需要的共模，从而减少 EMI。ESD 器件位于连接器附近，它可以在一个封装（如SOT23）中包含两个 ESD 保护二极管，或者在 DFN1006BD 封装中为每条单独的线路包含两个 ESD 二极管。在其他类似的原理图中，ESD 保护器件放在 CMC 和 PHY 之间。

注：强烈建议将 ESD 保护器件直接置于连接器上。在此位置，ESD 电流会被钳位至 GND，因此不会影响 PCB、以太网 PHY 或其他元件，如图 4 所示。此外，根据100/1000MBase-T1 规范的要求，触发电压超过 100 V 的 ESD 保护器件置于连接器上、CMC 前面时，可以发挥更显著的保护作用。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 之间的主要区别在于带宽（分别为 66 Mbps 和 750 Mbps）。因此，它们对信号完整性（SI）有一些不同的要求，具体会体现在一些电路的选择上。相较于 1000BASE-T1，在 100BASE-T1 中，ESD 保护器件的器件电容可以略高一些。此外，CMC应遵循开放技术联盟（OA）关于 100BASE-T1、1000BASE-T1 和千兆级应用的规定。本应用笔记后面将提供更多相关信息。

03用于100BASE-T1和1000BASE-T1的ESD保护器件

由于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 拓扑结构和电路几乎相同，因此它们对所用 ESD 保护器件的要求非常相似。ESD 器件必须遵循 ESD 保护器件的OA规范（汽车以太网规范（opensig.org））。以下是一些主要要求：

• 双向

• 在 1000个 15 kV ESD 脉冲后性能没有下降（IEC61000-2-4）

• 触发电压 > 100 V

• VDC > 24 V（电池短路）

此外，我们通过一组测量对 ESD 保护器件的合规性进行了测试：

在上述测量中，我们对 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 使用相同的设置，但是“通过”和“未通过”条件定义存在略有不同的限制，尤其是带宽差异等原因引起的散射参数。具体限制参见相应规范的附录。

3.1. 散射参数

散射参数测量的理念是在频域中观察 ESD 保护器件的 SI 行为，即插入损耗（IL）、回波损耗（RL）和共模抑制比（CMRR）。作为混合模式散射参数矩阵中的矩阵元素，这些参数分别称为Sdd21、Sdd11和Sdc21。索引“dd”指的是差分，“dc”指的是差模共模。

• IL 是指 ESD 保护器件随频率传输的信号部分。传输的信号越多越好。简而言之，IL表示通过 ESD 器件传输的信号量。可以将其看作是一个以阻抗为重点的传递函数。“通过”条件是保持在规范中定义的限制之上。

• RL 表示 ESD 保护器件随频率变化而反射的信号部分。反射的信号越少越好。标准化委员会也对此定义了限制。“通过”条件是保持在限制以下。

• CMRR 表示随频率变化从差模转换为共模的信号部分。这种模式转换是由网络中的不对称引起的，在差分信号中应尽量减少。

图5显示了一些散射参数示例。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的数据速率和带宽决定了二者的所有散射参数限制都不相同。

3.2. ESD 损坏：ESD 事件后测试信号完整性

该测试的重点是评估 ESD 对 SI 的影响。因此，基本上测量的散射参数与前文相同，但测量是在 8 kV 和 15 kV 条件下，在每个极性 20 个脉冲前后完成的。目标规范是，在 ESD 应力脉冲后，ESD 器件在 1 MHz 至 200 MHz 的频率范围内的偏差不允许超过 1 dB。图6 显示其中一个 ESD 器件的 Sdd11 结果。

3.3. ESD 放电电流测量

在 ESD 事件期间，ESD 保护器件将大部分 ESD 脉冲钳位到地。然而，在实际应用中，总有一部分脉冲会越过 ESD 保护进入 PHY。该残余电流是评估 ESD 器件保护能力的重要参数。对于开放技术联盟以太网 100/ 1000BASE-T1，该残余电流是使用标准化设置测量的。设置参见图 7。包括 CMC和 ESD 保护在内的整个电路都包含在该设置中。PHY 的特性用一个 2 Ω 电阻器进行了简化。

两个极性的测量都在最高 15 kV 的电压下进行的。“通过”条件限制来自于 2 kV 和 4 kV 人体模型(HBM)。

图 8 显示了 15 kV 脉冲的结果，包括来自 ESD 枪的限制和参考电流。

3.4. SEED——ESD 放电电流仿真测量

系统 ESD 性能的系统预测并不简单。独立收发器和无源元件（包括外部 ESD 保护器件）的 ESD 耐受性水平不能代表总体系统 ESD 耐受性水平。

因此，必须仔细考虑所有集成元件之间的交互。这里要特别注意外部 ESD 保护、CMC 以及 IC PHY 收发器引脚的片上 ESD 保护特性的合理适配。请注意，这些元件表现出强烈的非线性高电流行为。

系统高效 ESD 设计（SEED）方法允许仿真整个系统中与 ESD 相关的瞬态高电压、高电流行为。在这里，需要使用行为模型和等效电路对各个元素进行精确建模。完整的仿真环境还包括 ESD 脉冲发生器模型。通过这种综合仿真方法，可以预测流经系统不同部分的残余 ESD 应力电流以及不同系统节点的电压。

通过评估 IC PHY 收发器数据引脚违反关键准静态和动态 IV 限制的情况，可以确定系统级 ESD 耐受性。图 10 显示了系统模型的 100/1000BASE-T1 电路，以及根据 IEC 61000-4-2 使用 4 kV ESD 脉冲对进入 IC 的残余电流进行系统级测量和仿真的比较。

一般而言，测量结果与仿真结果非常吻合。仿真准确捕获了流入 IC 的电流脉冲的主要特性，相对于 ICCDM 限制属于过冲，而相对于 IC HBM 限制属于稳态行为。

有关为汽车以太网电路设置瞬态系统级 SEED 仿真的更多信息，以及有关 CMC 和 ESD 发生器上带回弹的高压 ESD 保护的建模详情，请参阅 Nexperia 白皮书《运用SEED设计方法，根据开放技术联盟 100BASE-T1 规范高效预测 ESD 放电电流》[4]以及Nexperia汽车 ESD 手册[5]。

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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.