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