【導(dǎo)讀】本應(yīng)用筆記介紹適用于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的現(xiàn)代半導(dǎo)體 ESD 保護器件的特性。ESD 保護器件的作用是實現(xiàn)穩(wěn)健的系統(tǒng)，使系統(tǒng)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）來增強這種耐受性的建議。
本應(yīng)用筆記分為（上）（下）兩部分，您現(xiàn)在看到的是（上）。
01 引言
目前有幾種以太網(wǎng)解決方案在工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中非常流行，但幾十年來，并沒有在汽車領(lǐng)域得到廣泛采用。到 2016 年，汽車行業(yè)中共推出了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 兩個標準。另外兩個標準 10BASE-T1S 和 MGB-T1（千兆級）正在開發(fā)中。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 由電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）發(fā)布，并包含在IEEE 802.3bw和IEEE 802.3bp中。雖然這兩個標準基于工業(yè)和商業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用，但針對一些特定的汽車要求進行了修訂，這類要求主要與電磁兼容性（EMC）有關(guān)[1]。這些修訂由開放技術(shù)聯(lián)盟委員會完成。
汽車以太網(wǎng)可實現(xiàn)快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信，能夠為多個電子控制單元（ECU）總線拓撲賦予靈活性，非常有望滿足未來的實時數(shù)據(jù)共享、帶寬和穩(wěn)定工作需求。這些特性有助于加速汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從域架構(gòu)向區(qū)域架構(gòu)的演進。汽車以太網(wǎng)可以與其他幾種協(xié)議配對使用，例如音頻和視頻（AVB），因此，更有機會在 ADAS、X-Domain 和其他復(fù)雜系統(tǒng)中使用。
本應(yīng)用筆記將介紹適用于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的現(xiàn)代半導(dǎo)體 ESD 保護器件的特性。本文將展示 ESD 保護器件如何在電路中發(fā)揮協(xié)同作用，從而讓系統(tǒng)能夠耐受破壞性的 ESD 事件并具有更出色的EMC性能。此外，本文還將針對使用共模扼流圈（CMC）來增強這種耐受性提供建議。
02 100BASE-T1和1000BASE-T1的拓撲結(jié)構(gòu)
汽車以太網(wǎng)用法靈活，并能顯著提高數(shù)據(jù)速率（與傳統(tǒng)的 CAN HS/FD 相比），因此能夠橋接各種復(fù)雜的通信域，如圖1所示。這一特性進一步強化汽車以太網(wǎng)在未來車載數(shù)據(jù)通信架構(gòu)中的作用，而在未來，ADAS、信息娛樂系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等關(guān)鍵應(yīng)用將在汽車領(lǐng)域內(nèi)顯著增長。
ECU通常使用非屏蔽雙絞線（UTP）相互連接，就像在 CAN 或 FlexRay 應(yīng)用中一樣（圖2）。
這種做法有一些好處，例如使用簡單、成本低。但是，應(yīng)該考慮到非屏蔽電纜可能會出現(xiàn)電磁噪聲耦合方面的問題。在真實的汽車線束中，不同的電纜會組合成一束電纜，因此它們之間存在一定的干擾風(fēng)險。具體而言，在典型總線拓撲的 UTP 內(nèi)，感應(yīng)電氣噪聲可達到 100 V，這已經(jīng)得到幾個測試中心的證實。在這種情況下，ESD 保護器件不能觸發(fā)，以避免發(fā)生通信故障和鏈路丟失。這就提出了一項新的要求，即 ESD 保護器件的觸發(fā)電壓要高于 100 V。
開放技術(shù)聯(lián)盟推薦了一個包含電子元件的原理圖，如圖 3 所示。
左側(cè)的收發(fā)器模塊包含物理層接口（PHY）以及一些基本的濾波元件和片上 ESD 保護。下一個必須具有的模塊是帶有共模終端的共模扼流圈（CMC），用于減少不需要的共模，從而減少 EMI。ESD 器件位于連接器附近，它可以在一個封裝（如SOT23）中包含兩個 ESD 保護二極管，或者在 DFN1006BD 封裝中為每條單獨的線路包含兩個 ESD 二極管。在其他類似的原理圖中，ESD 保護器件放在 CMC 和 PHY 之間。
注：強烈建議將 ESD 保護器件直接置于連接器上。在此位置，ESD 電流會被鉗位至 GND，因此不會影響 PCB、以太網(wǎng) PHY 或其他元件，如圖 4 所示。此外，根據(jù)100/1000MBase-T1 規(guī)范的要求，觸發(fā)電壓超過 100 V 的 ESD 保護器件置于連接器上、CMC 前面時，可以發(fā)揮更顯著的保護作用。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 之間的主要區(qū)別在于帶寬（分別為 66 Mbps 和 750 Mbps）。因此，它們對信號完整性（SI）有一些不同的要求，具體會體現(xiàn)在一些電路的選擇上。相較于 1000BASE-T1，在 100BASE-T1 中，ESD 保護器件的器件電容可以略高一些。此外，CMC應(yīng)遵循開放技術(shù)聯(lián)盟（OA）關(guān)于 100BASE-T1、1000BASE-T1 和千兆級應(yīng)用的規(guī)定。本應(yīng)用筆記后面將提供更多相關(guān)信息。
03用于100BASE-T1和1000BASE-T1的ESD保護器件
由于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 拓撲結(jié)構(gòu)和電路幾乎相同，因此它們對所用 ESD 保護器件的要求非常相似。ESD 器件必須遵循 ESD 保護器件的OA規(guī)范（汽車以太網(wǎng)規(guī)范（opensig.org））。以下是一些主要要求：
? 雙向
? 在 1000個 15 kV ESD 脈沖后性能沒有下降（IEC61000-2-4）
? 觸發(fā)電壓 > 100 V
? VDC > 24 V（電池短路）
此外，我們通過一組測量對 ESD 保護器件的合規(guī)性進行了測試：
在上述測量中，我們對 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 使用相同的設(shè)置，但是“通過”和“未通過”條件定義存在略有不同的限制，尤其是帶寬差異等原因引起的散射參數(shù)。具體限制參見相應(yīng)規(guī)范的附錄。
3.1. 散射參數(shù)
散射參數(shù)測量的理念是在頻域中觀察 ESD 保護器件的 SI 行為，即插入損耗（IL）、回波損耗（RL）和共模抑制比（CMRR）。作為混合模式散射參數(shù)矩陣中的矩陣元素，這些參數(shù)分別稱為Sdd21、Sdd11和Sdc21。索引“dd”指的是差分，“dc”指的是差模共模。
? IL 是指 ESD 保護器件隨頻率傳輸?shù)男盘柌糠?。傳輸?shù)男盘栐蕉嘣胶?。簡而言之，IL表示通過 ESD 器件傳輸?shù)男盘柫??？梢詫⑵淇醋魇且粋€以阻抗為重點的傳遞函數(shù)?！巴ㄟ^”條件是保持在規(guī)范中定義的限制之上。
? RL 表示 ESD 保護器件隨頻率變化而反射的信號部分。反射的信號越少越好。標準化委員會也對此定義了限制?！巴ㄟ^”條件是保持在限制以下。
? CMRR 表示隨頻率變化從差模轉(zhuǎn)換為共模的信號部分。這種模式轉(zhuǎn)換是由網(wǎng)絡(luò)中的不對稱引起的，在差分信號中應(yīng)盡量減少。
圖5顯示了一些散射參數(shù)示例。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的數(shù)據(jù)速率和帶寬決定了二者的所有散射參數(shù)限制都不相同。
3.2. ESD 損壞：ESD 事件后測試信號完整性
該測試的重點是評估 ESD 對 SI 的影響。因此，基本上測量的散射參數(shù)與前文相同，但測量是在 8 kV 和 15 kV 條件下，在每個極性 20 個脈沖前后完成的。目標規(guī)范是，在 ESD 應(yīng)力脈沖后，ESD 器件在 1 MHz 至 200 MHz 的頻率范圍內(nèi)的偏差不允許超過 1 dB。圖6 顯示其中一個 ESD 器件的 Sdd11 結(jié)果。
3.3. ESD 放電電流測量
在 ESD 事件期間，ESD 保護器件將大部分 ESD 脈沖鉗位到地。然而，在實際應(yīng)用中，總有一部分脈沖會越過 ESD 保護進入 PHY。該殘余電流是評估 ESD 器件保護能力的重要參數(shù)。對于開放技術(shù)聯(lián)盟以太網(wǎng) 100/ 1000BASE-T1，該殘余電流是使用標準化設(shè)置測量的。設(shè)置參見圖 7。包括 CMC和 ESD 保護在內(nèi)的整個電路都包含在該設(shè)置中。PHY 的特性用一個 2 Ω 電阻器進行了簡化。
兩個極性的測量都在最高 15 kV 的電壓下進行的?！巴ㄟ^”條件限制來自于 2 kV 和 4 kV 人體模型(HBM)。
圖 8 顯示了 15 kV 脈沖的結(jié)果，包括來自 ESD 槍的限制和參考電流。
3.4. SEED——ESD 放電電流仿真測量
系統(tǒng) ESD 性能的系統(tǒng)預(yù)測并不簡單。獨立收發(fā)器和無源元件（包括外部 ESD 保護器件）的 ESD 耐受性水平不能代表總體系統(tǒng) ESD 耐受性水平。
因此，必須仔細考慮所有集成元件之間的交互。這里要特別注意外部 ESD 保護、CMC 以及 IC PHY 收發(fā)器引腳的片上 ESD 保護特性的合理適配。請注意，這些元件表現(xiàn)出強烈的非線性高電流行為。
系統(tǒng)高效 ESD 設(shè)計（SEED）方法允許仿真整個系統(tǒng)中與 ESD 相關(guān)的瞬態(tài)高電壓、高電流行為。在這里，需要使用行為模型和等效電路對各個元素進行精確建模。完整的仿真環(huán)境還包括 ESD 脈沖發(fā)生器模型。通過這種綜合仿真方法，可以預(yù)測流經(jīng)系統(tǒng)不同部分的殘余 ESD 應(yīng)力電流以及不同系統(tǒng)節(jié)點的電壓。
通過評估 IC PHY 收發(fā)器數(shù)據(jù)引腳違反關(guān)鍵準靜態(tài)和動態(tài) IV 限制的情況，可以確定系統(tǒng)級 ESD 耐受性。圖 10 顯示了系統(tǒng)模型的 100/1000BASE-T1 電路，以及根據(jù) IEC 61000-4-2 使用 4 kV ESD 脈沖對進入 IC 的殘余電流進行系統(tǒng)級測量和仿真的比較。
一般而言，測量結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。仿真準確捕獲了流入 IC 的電流脈沖的主要特性，相對于 ICCDM 限制屬于過沖，而相對于 IC HBM 限制屬于穩(wěn)態(tài)行為。
有關(guān)為汽車以太網(wǎng)電路設(shè)置瞬態(tài)系統(tǒng)級 SEED 仿真的更多信息，以及有關(guān) CMC 和 ESD 發(fā)生器上帶回彈的高壓 ESD 保護的建模詳情，請參閱 Nexperia 白皮書《運用SEED設(shè)計方法，根據(jù)開放技術(shù)聯(lián)盟 100BASE-T1 規(guī)范高效預(yù)測 ESD 放電電流》[4]以及Nexperia汽車 ESD 手冊[5]。
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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.
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