如何保護汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

數(shù)十年來，以太網(wǎng)廣泛應用于工業(yè)和計算網(wǎng)絡(luò)，但如今，越來越多地部署到汽車應用，取代了控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。汽車以太網(wǎng)提供拓撲靈活性、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)過渡期間的車內(nèi)數(shù)據(jù)通信需求。本文首先討論各種汽車以太網(wǎng)標準，然后再考慮它們必須符合的嚴格靜電保護(ESD)和電磁兼容性(EMC)標準。最后介紹 Nexperia（安世半導體）的一系列元件，汽車 OEM 可利用這些元件確保車輛網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生 ESD 事件時得到全面保護。

汽車以太網(wǎng)標準

2016 年，開放技術(shù)聯(lián)盟（One Pair Ethernet Network，OPEN）委員會開發(fā)了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車以太網(wǎng)（隨后由 IEEE 標準化），主要滿足汽車應用與電磁干擾(EMI)和兼容性(EMC)相關(guān)的特定要求。2020 年開發(fā)的 10BASE-T1S 可實現(xiàn)短距離多點網(wǎng)絡(luò)拓撲，這一特性使其非常適合支持車輛區(qū)域架構(gòu)。目前正在開發(fā)汽車以太網(wǎng)的千兆級版本(MGBASE-T1)。表1列出了每種標準的規(guī)格。

表1：汽車以太網(wǎng)標準

保護汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

與計算設(shè)施中部署的以太網(wǎng)版本不同，100BASE-T1 和 1000BASE-T1 汽車以太網(wǎng)標準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 OEM 的關(guān)鍵要求，但其結(jié)構(gòu)卻給 EMI 防護帶來了額外的挑戰(zhàn)。

圖1：汽車以太網(wǎng)使用單一非屏蔽雙絞線

在現(xiàn)代汽車中，數(shù)百米長的電纜連接著多個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 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。開放技術(shù)聯(lián)盟為汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點指定的保護電路如圖 2 所示。這包括一個共模扼流圈(CMC)，用于過濾可能耦合到電纜上的不必要的共模噪聲，同時還有助于防止?jié)撛诘?ESD 破壞性影響。

圖2：開放技術(shù)聯(lián)盟指定的汽車以太網(wǎng)保護電路

ESD 保護器件的關(guān)鍵要求是在低于 100 V 的電壓下不應激活，同時為 24 V 工作電壓提供至少 15kV 的 ESD 保護（至少耐受1000次放電）。開放技術(shù)聯(lián)盟還建議 OEM 執(zhí)行一系列附加測試，雖然這些測試對于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 大體相似，但它們的通過標準不同。其中兩項測試旨在測量 ESD 保護器件對信號完整性(SI)的影響，并測量插入損耗(IL)、回波損耗(RL)和共模抑制比(CMMR)。ESD 放電電流測試可量化 ESD 事件期間流入 PHY 的電流，而射頻鉗位測試則旨在確保節(jié)點具有高達 100 V 的電磁兼容性。

在實際的汽車以太網(wǎng)部署中，ESD 保護的位置和布局至關(guān)重要。如圖3中的場掃描圖所示，該位置應位于連接器處，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。

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 PHY 的 ESD 應力。當瞬態(tài)脈沖擊中 CMC 時，它會阻斷電流一段時間，時間長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，在這個階段，CMC 的行為就像電感進入飽和狀態(tài)。一旦達到飽和，它就開始傳導電流，CMC 兩端的電壓開始下降。ESD 器件的封裝布線應始終保持平直，避免出現(xiàn)任何接點或彎曲，差分信號的布線應穿過 ESD 器件的焊盤。出于信號完整性的考慮，應避免出現(xiàn)接點，差分線路的阻抗應為 100 Ω。為此，必須將線路分開。圖4顯示了 Nexperia 針對不同封裝類型推薦的布線選項。

圖4：SOT23 和 DFN 封裝 ESD 保護器件的布線選項

Nexperia為汽車以太網(wǎng)

提供全面的ESD保護器件系列

Nexperia（安世半導體）為汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供多種 ESD 保護器件（表2）。PESD2ETH 系列器件完全符合開放技術(shù)聯(lián)盟 100BASE-T1 標準，采用小型 SOT23 表面貼裝塑料封裝，旨在保護兩條車載網(wǎng)絡(luò)總線線路免受 ESD 和其他瞬態(tài)事件的損壞。PESD2ETH1G 器件符合開放技術(shù)聯(lián)盟 IEEE 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 標準，采用小型 DFN1006BD-2 (SOD882BD)表面貼裝塑料封裝。

表2：來自 Nexperia 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 ESD 保護器件

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

表3：來 自Nexperia 的 10BASE-T1S ESD 保護器件

結(jié)論

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

關(guān)于作者

Andreas Hardock

Andreas Hardock 擁有漢堡技術(shù)大學的博士學位，專攻信號完整性領(lǐng)域。自 2015 年以來，Andreas 一直在 BHTC 和 Continental 負責汽車行業(yè)的工作，主要側(cè)重 ESD 和 EMC 主題。2020 年，他加入 Nexperia，專注于汽車高速應用中的 ESD .

Nexperia (安世半導體)

Nexperia（安世半導體）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體公司，目前在歐洲、亞洲和美國共有15,000多名員工。作為基礎(chǔ)半導體器件開發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，Nexperia（安世半導體）的器件被廣泛應用于汽車、工業(yè)、移動和消費等多個應用領(lǐng)域，幾乎為世界上所有電子設(shè)計的基本功能提供支持。

Nexperia（安世半導體）為全球客戶提供服務，每年的產(chǎn)品出貨量超過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，獲得廣泛認可。Nexperia（安世半導體）擁有豐富的IP產(chǎn)品組合和持續(xù)擴充的產(chǎn)品范圍，并獲得了IATF 16949、ISO 9001、ISO 14001和ISO 45001標準認證，充分體現(xiàn)了公司對于創(chuàng)新、高效、可持續(xù)發(fā)展和滿足行業(yè)嚴苛要求的堅定承諾。

Nexperia：效率致勝。

審核編輯：湯梓紅