Ethernet及其變體接口的ESD防護(hù)方案

引言：以太網(wǎng)被視為CAN或FlexRay網(wǎng)絡(luò)的通用且靈活的替代選項(xiàng)，用于需要處理更多數(shù)據(jù)且需要更高數(shù)據(jù)速率的模塊，如攝像頭、駕駛輔助系統(tǒng)和骨干網(wǎng)絡(luò)。

1.Ethernet

以太網(wǎng)的ESD保護(hù)通常可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，對(duì)GND保護(hù)可以放置在接口的MAC/PHY側(cè)，或者線對(duì)線保護(hù)可以添加到連接器側(cè)。為了實(shí)現(xiàn)最佳保護(hù)，設(shè)計(jì)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種方案，圖5-1顯示了一個(gè)使用兩對(duì)的100Mbit接口，可以為Gbit以太網(wǎng)創(chuàng)建類似的解決方案，使用四對(duì)。

圖5-1：10/100 ESD保護(hù)，MAC側(cè)接地保護(hù)，連接器側(cè)共模保護(hù)

以太網(wǎng)應(yīng)用需要4個(gè)通道的ESD保護(hù)，用于連接器中的TX/RX信號(hào)線，這些信號(hào)的電壓范圍從1V到2.5V，帶寬選項(xiàng)包括10Mbps、100Mbps(用于快速以太網(wǎng))和1Gbps(用于千兆以太網(wǎng))，在這些速度下，應(yīng)考慮ESD二極管的電容。

單向ESD保護(hù)裝置推薦用于以太網(wǎng)應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冊(cè)谪?fù)方向上提供卓越的保護(hù)，電容也需要考慮，尤其是千兆以太網(wǎng)(建議小于5pF)，Ethernet推薦表5-1參數(shù)。

表5-1：Ethernet的ESD/TVS diode選型參數(shù)參考

2.100BASE-T1 and 1000BASE-T2

汽車以太網(wǎng)IEEE 100/1000BASE-T1 (IEEE 802.3bw)可通過單一非屏蔽雙絞線電纜分別提供100或1000Mbit/s的傳輸和接收能力。標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)由Broadcom(BroadR-Reach?)開發(fā)，并由IEEE 802.3工作組完善，所以BroadR-Reach是一個(gè)相對(duì)較新的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)汽車應(yīng)用，與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)規(guī)范相比，該標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是不需要變壓器。汽車以太網(wǎng)的部署由開放(單對(duì)以太網(wǎng))技術(shù)聯(lián)盟SIG(特別興趣小組)負(fù)責(zé)推動(dòng)。目前有幾種發(fā)展方向，一是擁有汽車千兆級(jí)以太網(wǎng)，以覆蓋2.5/5.0/10Gbps范圍內(nèi)的高數(shù)據(jù)速率以太網(wǎng)，另一個(gè)是在10Mbps范圍內(nèi)使用低成本以太網(wǎng)拓?fù)?，?0BASE-T1S。典型的應(yīng)用是汽車內(nèi)信息娛樂或ADAS系統(tǒng)的高速接口，圖5-2顯示了一種典型單通道的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，可用于100Mbit BroadR接口。

圖5-2：100/1000BASE-T1的ESD防護(hù)拓?fù)?

由于10Base-T1S和100/1000Base-T1系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有UTP電纜和必不可少的共模扼流圈(CMC)，因此ESD器件的觸發(fā)電壓指定為高于100V，所以強(qiáng)烈建議將ESD保護(hù)器件靠近連接器放置(在連接器端提供保護(hù)的產(chǎn)品組合，符合開放技術(shù)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，而PHY端是較為傳統(tǒng)的方法)。如圖5-3所示，這樣一來，ESD事件的能量將立即導(dǎo)向地面，不僅PHY、CMC、電阻和電容器等無源組件也能得到保護(hù)。在這個(gè)暴露的位置，ESD二極管必須能夠承受汽車布線的惡劣環(huán)境，如高能量共模噪聲或電池短路引起的過電壓。ESD保護(hù)器件設(shè)計(jì)用于大于或等于100V的觸發(fā)電壓，除了滿足IEC61000-4-2level 4標(biāo)準(zhǔn)之外，它們還必須耐受最少1000次放電，為保證信號(hào)完整性，低寄生電容必須小于3.5pF。

圖5-3：100/1000BASE-T1的ESD防護(hù)拓?fù)?

對(duì)于100/1000BASE-T1，靠近連接器端推薦參考表5-2參數(shù)：

表5-2：100/1000BASE靠近連接器端的ESD/TVS diode選型參數(shù)參考

對(duì)于100/1000BASE-T1，靠近PHY端推薦參考表5-3參數(shù)：

表5-3：100/1000BASE靠近PHY端的ESD/TVS diode選型參數(shù)參考

3.FlexRay

FlexRay使用差分信號(hào)BP和BM，運(yùn)行速度高達(dá)每通道10Mbit/s，除了單通道運(yùn)行(如LIN和CAN)，還可以作為雙通道系統(tǒng)運(yùn)行，以便在冗余網(wǎng)絡(luò)中使用數(shù)據(jù)。與基于CAN和LIN協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)相比，F(xiàn)lexRay系統(tǒng)的更高容錯(cuò)和更高傳輸速率導(dǎo)致系統(tǒng)成本更高。對(duì)于ESD保護(hù)二極管，通常需要小于20pF的低二極管電容。圖5-4顯示了通過共模扼流圈，使用雙RT/2的差分端接以及總線的雙向ESD保護(hù)進(jìn)行耦合的FlexRay收發(fā)器，保護(hù)兩條汽車FlexRay數(shù)據(jù)線免受ESD和其他瞬態(tài)造成的損壞，支持10Mbit/s的FlexRay數(shù)據(jù)速率，并為8/20us的脈沖提供每條線路高達(dá)200W的浪涌能力。

圖5-4：flexRay的ESD防護(hù)拓?fù)?/p>

對(duì)于flexRay，靠近PHY端推薦參考表5-4參數(shù)：

表5-4：flexRay的ESD/TVS diode選型參數(shù)參考