最大程度提高对汽车以太网应用的ESD保护
数十年来，以太网广泛应用于工业和计算网络，但如今，越来越多地部署到汽车应用，取代了控制器局域网络(can)等传统网络。汽车以太网提供拓扑灵活性、高带宽和稳定的通信，能够满足原始设备制造商(oem)从域向区域网络架构过渡期间的车内数据通信需求。本文首先讨论各种汽车以太网标准，然后再考虑它们必须符合的严格静电保护(esd)和电磁兼容性(emc)标准。最后介绍 nexperia（安世半导体）的一系列元件，汽车 oem 可利用这些元件确保车辆网络在发生 esd 事件时得到全面保护。
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。
表1：汽车以太网标准
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。
图1：汽车以太网使用单一非屏蔽双绞线
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。
图2：开放技术联盟指定的汽车以太网保护电路
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。找元器件现货上唯样商城
图3 esd 事件的影响取决于 esd 电路的布局
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。
图4：sot23 和 dfn 封装 esd 保护器件的布线选项
nexperia为汽车以太网
提供全面的esd保护器件系列
nexperia（安世半导体）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。
表2：来自 nexperia 的 100base-t1 和 1000base-t1 esd 保护器件
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）。
表3：来 自nexperia 的 10base-t1s esd 保护器件
结论
本文讨论了汽车以太网网络的保护要求，并介绍了有助于提高 esd 和 emi 稳定性的电路板布局选项。无论是实施 100base-t、1000base-t 还是 10base-t1s，汽车 oem 都可以依靠 nexperia 为其车载网络提供所需规格和外形尺寸的保护器件。
关于作者
andreas hardock
andreas hardock 拥有汉堡技术大学的博士学位，专攻信号完整性领域。自 2015 年以来，andreas 一直在 bhtc 和 continental 负责汽车行业的工作，主要侧重 esd 和 emc 主题。2020 年，他加入 nexperia，专注于汽车高速应用中的 esd .
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