如何保護(hù)汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

數(shù)十年來(lái)，以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，但如今，越來(lái)越多地部署到汽車(chē)應(yīng)用，取代了控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。汽車(chē)以太網(wǎng)提供拓?fù)潇`活性、高帶寬和穩(wěn)定的通信，能夠滿足原始設(shè)備制造商(OEM)從域向區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)過(guò)渡期間的車(chē)內(nèi)數(shù)據(jù)通信需求。本文首先討論各種汽車(chē)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，然后再考慮它們必須符合的嚴(yán)格靜電保護(hù)(ESD)和電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn)。最后介紹 Nexperia（安世半導(dǎo)體）的一系列元件，汽車(chē) OEM 可利用這些元件確保車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生 ESD 事件時(shí)得到全面保護(hù)。

汽車(chē)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

2016 年，開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟（One Pair Ethernet Network，OPEN）委員會(huì)開(kāi)發(fā)了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車(chē)以太網(wǎng)（隨后由 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化），主要滿足汽車(chē)應(yīng)用與電磁干擾(EMI)和兼容性(EMC)相關(guān)的特定要求。2020 年開(kāi)發(fā)的 10BASE-T1S 可實(shí)現(xiàn)短距離多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@一特性使其非常適合支持車(chē)輛區(qū)域架構(gòu)。目前正在開(kāi)發(fā)汽車(chē)以太網(wǎng)的千兆級(jí)版本(MGBASE-T1)。表1列出了每種標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格。

表1：汽車(chē)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

保護(hù)汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

與計(jì)算設(shè)施中部署的以太網(wǎng)版本不同，100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車(chē)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用單一非屏蔽雙絞線(UTP)連接物理層接口(PHY)，如圖1所示。UTP 電纜體積更小、重量更輕、成本更低且易于使用，這些都是汽車(chē) OEM 的關(guān)鍵要求，但其結(jié)構(gòu)卻給 EMI 防護(hù)帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。

圖1：汽車(chē)以太網(wǎng)使用單一非屏蔽雙絞線

在現(xiàn)代汽車(chē)中，數(shù)百米長(zhǎng)的電纜連接著多個(gè)管理各種功能的電子控制單元(ECU)。電纜通常捆綁在一起形成線束，這就大大增加了出現(xiàn) EMI 相關(guān)問(wèn)題的可能性。在最壞的情況下，UTP 電纜中的 EMI 電壓振幅可高達(dá) 100 V，因此以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)必須足夠穩(wěn)定，能夠承受這些峰值。開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟為汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)指定的保護(hù)電路如圖 2 所示。這包括一個(gè)共模扼流圈(CMC)，用于過(guò)濾可能耦合到電纜上的不必要的共模噪聲，同時(shí)還有助于防止?jié)撛诘?ESD 破壞性影響。

圖2：開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟指定的汽車(chē)以太網(wǎng)保護(hù)電路

ESD 保護(hù)器件的關(guān)鍵要求是在低于 100 V 的電壓下不應(yīng)激活，同時(shí)為 24 V 工作電壓提供至少 15kV 的 ESD 保護(hù)（至少耐受1000次放電）。開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟還建議 OEM 執(zhí)行一系列附加測(cè)試，雖然這些測(cè)試對(duì)于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 大體相似，但它們的通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)不同。其中兩項(xiàng)測(cè)試旨在測(cè)量 ESD 保護(hù)器件對(duì)信號(hào)完整性(SI)的影響，并測(cè)量插入損耗(IL)、回波損耗(RL)和共模抑制比(CMMR)。ESD 放電電流測(cè)試可量化 ESD 事件期間流入 PHY 的電流，而射頻鉗位測(cè)試則旨在確保節(jié)點(diǎn)具有高達(dá) 100 V 的電磁兼容性。

在實(shí)際的汽車(chē)以太網(wǎng)部署中，ESD 保護(hù)的位置和布局至關(guān)重要。如圖3中的場(chǎng)掃描圖所示，該位置應(yīng)位于連接器處，以確保 ESD 脈沖在連接器處直接被鉗位接地，從而為包括 CMC 和 PHY 在內(nèi)的所有網(wǎng)絡(luò)電路提供最大保護(hù)。

圖3 ESD 事件的影響取決于 ESD 電路的布局

在脈沖條件下，CMC 可減少對(duì) PHY 的 ESD 應(yīng)力。當(dāng)瞬態(tài)脈沖擊中 CMC 時(shí)，它會(huì)阻斷電流一段時(shí)間，時(shí)間長(zhǎng)短取決于脈沖的電壓電平，電壓越高，阻斷階段越短。阻斷階段之后是飽和階段，在這個(gè)階段，CMC 的行為就像電感進(jìn)入飽和狀態(tài)。一旦達(dá)到飽和，它就開(kāi)始傳導(dǎo)電流，CMC 兩端的電壓開(kāi)始下降。ESD 器件的封裝布線應(yīng)始終保持平直，避免出現(xiàn)任何接點(diǎn)或彎曲，差分信號(hào)的布線應(yīng)穿過(guò) ESD 器件的焊盤(pán)。出于信號(hào)完整性的考慮，應(yīng)避免出現(xiàn)接點(diǎn)，差分線路的阻抗應(yīng)為 100 Ω。為此，必須將線路分開(kāi)。圖4顯示了 Nexperia 針對(duì)不同封裝類型推薦的布線選項(xiàng)。

圖4：SOT23 和 DFN 封裝 ESD 保護(hù)器件的布線選項(xiàng)

Nexperia為汽車(chē)以太網(wǎng)

提供全面的ESD保護(hù)器件系列

Nexperia（安世半導(dǎo)體）為汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供多種 ESD 保護(hù)器件（表2）。PESD2ETH 系列器件完全符合開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟 100BASE-T1 標(biāo)準(zhǔn)，采用小型 SOT23 表面貼裝塑料封裝，旨在保護(hù)兩條車(chē)載網(wǎng)絡(luò)總線線路免受 ESD 和其他瞬態(tài)事件的損壞。PESD2ETH1G 器件符合開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟 IEEE 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 標(biāo)準(zhǔn)，采用小型 DFN1006BD-2 (SOD882BD)表面貼裝塑料封裝。

表2：來(lái)自 Nexperia 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 ESD 保護(hù)器件

Nexperia 還提供表3所示的符合開(kāi)放技術(shù)聯(lián)盟 10BASE-T1S 標(biāo)準(zhǔn)的高穩(wěn)健性器件。它們的觸發(fā)電壓(Vt)超過(guò) 100 V，器件電容較低(< 0.5 pF)，因此數(shù)據(jù)傳輸流暢，信號(hào)完整性出色。對(duì)于雙線封裝，它們的電容匹配規(guī)范為 2%（最大值）。

表3：來(lái) 自Nexperia 的 10BASE-T1S ESD 保護(hù)器件

結(jié)論

本文討論了汽車(chē)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)要求，并介紹了有助于提高 ESD 和 EMI 穩(wěn)定性的電路板布局選項(xiàng)。無(wú)論是實(shí)施 100BASE-T、1000BASE-T 還是 10BASE-T1S，汽車(chē) OEM 都可以依靠 Nexperia 為其車(chē)載網(wǎng)絡(luò)提供所需規(guī)格和外形尺寸的保護(hù)器件。完整的產(chǎn)品組合參見(jiàn)「閱讀原文」。

關(guān)于作者

Andreas Hardock

Andreas Hardock 擁有漢堡技術(shù)大學(xué)的博士學(xué)位，專攻信號(hào)完整性領(lǐng)域。自 2015 年以來(lái)，Andreas 一直在 BHTC 和 Continental 負(fù)責(zé)汽車(chē)行業(yè)的工作，主要側(cè)重 ESD 和 EMC 主題。2020 年，他加入 Nexperia，專注于汽車(chē)高速應(yīng)用中的 ESD .

Nexperia (安世半導(dǎo)體)

Nexperia（安世半導(dǎo)體）總部位于荷蘭，是一家在歐洲擁有豐富悠久發(fā)展歷史的全球性半導(dǎo)體公司，目前在歐洲、亞洲和美國(guó)共有15,000多名員工。作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，Nexperia（安世半導(dǎo)體）的器件被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)、移動(dòng)和消費(fèi)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，幾乎為世界上所有電子設(shè)計(jì)的基本功能提供支持。

Nexperia（安世半導(dǎo)體）為全球客戶提供服務(wù)，每年的產(chǎn)品出貨量超過(guò)1,000億件。這些產(chǎn)品在效率（如工藝、尺寸、功率及性能）方面成為行業(yè)基準(zhǔn)，獲得廣泛認(rèn)可。Nexperia（安世半導(dǎo)體）擁有豐富的IP產(chǎn)品組合和持續(xù)擴(kuò)充的產(chǎn)品范圍，并獲得了IATF 16949、ISO 9001、ISO 14001和ISO 45001標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，充分體現(xiàn)了公司對(duì)于創(chuàng)新、高效、可持續(xù)發(fā)展和滿足行業(yè)嚴(yán)苛要求的堅(jiān)定承諾。

Nexperia：效率致勝。

審核編輯：湯梓紅