Высоковольтная защита от электростатического разряда для автомобильных приложений Ethernet

Решения Ethernet были популярны в промышленных и вычислительных приложениях на протяжении нескольких десятилетий, но не получили широкого распространения в автомобильной сфере. Автомобильный Ethernet обеспечивает быструю и надежную передачу данных с высокой гибкостью топологий шин для нескольких электронных блоков управления (ЭБУ). Это делает технологии Ethernet потенциальным кандидатом для обеспечения высокой пропускной способности, возможности подключения и надежной работы, одновременно ускоряя эволюцию автомобильных сетей от доменной к зональной архитектуре.

В 2016 году для автомобильной промышленности были разработаны два стандарта: 100BASE-T1 и 1000BASE-T1. По состоянию на 2022 год два дополнительных стандарта, а именно 10BASE-T1s и MGB-T1, находятся в разработке комитетами Альянса однопарной сети Ethernet (OPEN). В состав OPEN Alliance входят несколько технических комитетов по стандартизации технологий на базе Ethernet на автомобильном рынке. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) охватывает 100BASE-T1 и 1000BASE-T1 стандартами IEEE 802.3bw и IEEE 802.3bp. Оба были приняты для удовлетворения конкретных требований автомобильной промышленности, в основном связанных с электромагнитной совместимостью (ЭМС).

В этой статье будут рассмотрены требования и свойства современных полупроводниковых устройств защиты от электростатического разряда (ESD) в связи с требованиями, подробно описанными в 100BASE-T1 и 1000BASE-T1. Мы подчеркнем, как устройства защиты от электростатического разряда действуют совместно с остальной схемой, создавая надежную систему против разрушительного электростатического разряда и электромагнитной совместимости.

Высокая гибкость соединений Ethernet является преимуществом для автомобильных приложений. Его можно использовать в звездообразной топологии, то есть с коммутатором в качестве центральной точки, подключенным к нескольким доменам, например ADAS, Infotainment или другим. Он также работает в топологии шины, которая использовалась в традиционных приложениях CAN и FlexRay.

Типичная конфигурация шины может включать несколько узлов Ethernet, как показано на рисунке 1, где показаны усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS) с датчиками спереди и дисплеями в салоне автомобиля. Крайне важно понимать, что стандартизация 100BASE-T1 и 1000BASE-T1 основана на неэкранированной витой паре (UTP), как показано на рисунке 2. Кабели UTP широко используются в автомобильной промышленности, поэтому они распространены и просты в использовании. , и экономический. Однако у них есть некоторые подводные камни, особенно если рассматривать поведение ЭМС.

Рисунок 1. Типичная конфигурация узлов Ethernet в современном автомобиле.

Рисунок 2. Два узла Ethernet соединены с помощью неэкранированной витой пары (UTP).

В современном автомобиле сотни метров кабеля соединяют самые разные электрические агрегаты – от простого блока климат-контроля до очень мощного генератора. Эти кабели обычно складываются в пучки, что увеличивает риск возникновения электромагнитных помех (ЭМП) между ними. Дальнейшие исследования показали, что в наихудших сценариях электромагнитные помехи могут привести к наведенным пиковым напряжениям в UTP с амплитудой до 100 В. Учитывая, что это может произойти во время нормальной работы, когда требуется стабильная передача данных, схема Ethernet должна быть достаточно надежной, чтобы противостоять этим проблемам ЭМС.

Схема каждого узла показана стандартизированной OPEN Alliance (см. рисунок 3). Он включает в себя синфазный дроссель (CMC), который фильтрует нежелательные синфазные помехи, попадающие в UTP. Кроме того, здесь полезно терминирование общего режима. Свойства CMC для 100BASE-T1 и 1000BASE-T1 определены в спецификациях испытаний CMC для этих стандартов1. Помимо свойств фильтрации и ЭМС, CMC также очень полезен, когда дело касается ESD, о котором мы поговорим в следующем разделе.

Рис. 3. Схема 100BASE-T1 и 1000BASE-T и характеристики электростатического разряда устройства электростатического разряда.

С точки зрения устройства защиты от электростатического разряда следует учитывать несколько очень интересных моментов. Во-первых, исходя из возможных электромагнитных помех на UTP, устройство ESD не должно срабатывать в диапазоне напряжений до 100В. Говоря о параметрах устройства ESD, устройству ESD разрешено срабатывать только при напряжении выше 100 В, как показано на рисунке 3 на графике TLP. Такое высокое значение может показаться пугающим, поскольку большая часть физического уровня (PHY) высокопроизводительных камер и дисплеев не может выдерживать такие высокие напряжения. Позже мы увидим, что эта конкретная конфигурация схемы (с CMC) обеспечивает надежную защиту PHY.