Protection ESD haute tension pour les applications Ethernet automobiles

Les solutions Ethernet sont populaires dans les applications industrielles et informatiques depuis plusieurs décennies, mais n'ont pas été largement adoptées dans le domaine automobile. Automotive Ethernet permet une communication de données rapide et robuste, avec une grande flexibilité dans les topologies de bus pour plusieurs unités de commande électroniques (ECU). Cela fait des technologies Ethernet un candidat potentiel pour fournir une bande passante élevée, une connectivité et un fonctionnement robuste tout en accélérant l'évolution des réseaux automobiles d'une architecture de domaine à une architecture zonale.

En 2016, deux normes, 100BASE-T1 et 1000BASE-T1, ont été rédigées pour l'industrie automobile. À partir de 2022, deux normes supplémentaires, à savoir 10BASE-T1 et MGB-T1, sont en cours de développement par les comités de l'Alliance One Pair Ethernet Network (OPEN). OPEN Alliance comprend plusieurs comités techniques pour la normalisation des technologies basées sur Ethernet sur le marché automobile. L'Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) couvre 100BASE-T1 et 1000BASE-T1 avec les normes IEEE 802.3bw et IEEE 802.3bp. Les deux ont été adoptés pour répondre à des exigences automobiles spécifiques, principalement liées à la compatibilité électromagnétique (CEM).

Cet article examinera les exigences et les propriétés des dispositifs modernes de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) à semi-conducteurs en relation avec les exigences détaillées dans 100BASE-T1 et 1000BASE-T1. Nous mettrons en évidence la manière dont les dispositifs de protection ESD agissent en synergie avec le reste des circuits, ce qui donne un système robuste contre les ESD et EMC destructeurs.

La grande flexibilité des connexions Ethernet est un avantage pour les applications automobiles. Il peut être utilisé dans une topologie en étoile, c'est-à-dire avoir un commutateur comme point central connecté à plusieurs domaines, par exemple, ADAS, Infotainment, ou autre. Il fonctionne également dans une topologie de bus comme cela a été utilisé dans les applications CAN et FlexRay traditionnelles.

Une configuration de bus typique peut inclure plusieurs nœuds Ethernet, comme illustré à la figure 1, qui montre des systèmes avancés d'assistance à la conduite (ADAS) avec des capteurs à l'avant et des écrans à l'intérieur de la voiture. Il est crucial de comprendre que la normalisation de 100BASE-T1 et 1000BASE-T1 est basée sur une paire torsadée non blindée (UTP) comme le montre la figure 2. Les câbles UTP sont largement utilisés dans l'industrie automobile et sont donc courants, faciles à utiliser. , et économique. Cependant, ils présentent certains pièges, en particulier en ce qui concerne le comportement EMC.

Figure 1 : Configuration typique des nœuds Ethernet dans un véhicule moderne

Figure 2 : Deux nœuds Ethernet sont connectés à l'aide d'une paire torsadée non blindée (UTP)

Dans une voiture moderne, des centaines de mètres de câble relient toutes les différentes unités électriques - d'une simple unité de climatisation à un générateur très puissant. Ces câbles sont généralement regroupés, ce qui augmente le risque d'interférences électromagnétiques (EMI) entre eux. D'autres investigations ont montré que, dans les pires scénarios, les EMI peuvent entraîner des amplitudes de tension de crête induites allant jusqu'à 100 V dans l'UTP. Considérant que cela peut se produire pendant le fonctionnement normal lorsqu'un transfert de données stable est requis, les circuits Ethernet doivent être suffisamment robustes pour résister à ces problèmes EMC.

Le circuit de chaque nœud est présenté comme normalisé par l'OPEN Alliance (voir Figure 3). Il comprend une self de mode commun (CMC) qui filtre le bruit de mode commun indésirable qui se couple dans l'UTP. De plus, la terminaison en mode commun est utile ici. Les propriétés du CMC pour 100BASE-T1 et 1000BASE-T1 sont définies dans les spécifications de test CMC pour ces normes1. En plus de ses propriétés de filtrage et CEM, le CMC est également très utile en matière d'ESD, que nous aborderons dans la section suivante.

Figure 3 : Circuiterie des 100BASE-T1 et 1000BASE-T et performances ESD du dispositif ESD

Du point de vue du dispositif de protection ESD, il y a plusieurs points très intéressants à considérer. Tout d'abord, sur la base du bruit électromagnétique possible sur l'UTP, le dispositif ESD ne doit pas être activé dans une plage de tension allant jusqu'à 100 V. S'exprimant dans les paramètres de l'appareil ESD, l'appareil ESD est autorisé à se déclencher uniquement au-dessus de 100 V, comme illustré à la figure 3 dans le graphique TLP. Une valeur aussi élevée peut sembler effrayante car la majeure partie de la couche physique (PHY) des caméras et des écrans hautes performances ne peut pas supporter des tensions aussi élevées. Nous verrons plus loin que cette configuration spécifique de la circuiterie (avec le CMC) offre une protection solide pour la PHY.

La deuxième exigence est la robustesse ESD 15k V basée sur un minimum de 1000 décharges. Cette exigence importante et unique montre l'importance du fonctionnement robuste des applications basées sur Ethernet dans l'environnement automobile. Tout cela, combiné à la tension de fonctionnement de 24 V similaire à celle trouvée dans les applications CAN, se traduit par un ensemble d'exigences particulières présentées dans le tableau 1.

En plus des exigences du tableau 1, le dispositif ESD doit résister à des tests supplémentaires (voir tableau 2). Ces tests sont généralement effectués par les fournisseurs d'ESD et peuvent être fournis aux ingénieurs de conception de matériel.

Les tests pour 100BASSE-T1 et 1000BASE-T1 sont fondamentalement les mêmes mais avec des critères de réussite différents. Les deux premiers tests montrent clairement l'importance de l'intégrité du signal (SI) dans les applications Ethernet automobiles. Ici, l'impact sur SI d'un dispositif de protection ESD doit être testé en termes de perte d'insertion (IL), de perte de réflexion (RL) et de taux de réjection en mode commun (CMMR) (voir Figure 4). Pour les trois paramètres, des limites spécifiques sont données dans la "Spécification de la protection ESD pour 100BASE-T1 et 1000BASE-T1". Le courant de décharge ESD est nouveau dans le domaine automobile, quantifiant le courant circulant dans le PHY lors de l'événement ESD. Le verrouillage RF simule le bruit sur l'UTP couvrant l'exigence de 100 V.

Figure 4 : Résultats du paramètre S pour un dispositif de protection ESD pour 1000BASE-T1, y compris les limites en jaune

Pour une véritable conception Ethernet, les performances du dispositif ESD pur ne sont pas le seul facteur important. La mise en œuvre du dispositif ESD sur le PCB est vitale. Comme déjà illustré à la figure 3, le dispositif ESD doit être situé au niveau du connecteur. Cela garantit que l'impulsion ESD est fixée à la terre directement à l'emplacement du connecteur, protégeant l'ensemble des circuits, y compris le CMC, le CMT et le PHY lui-même. La figure 5 montre une preuve visuelle de l'importance du placement.

Figure 5 : Balayage sur le terrain du circuit Ethernet lors d'un événement ESD. La couleur rouge met en évidence une densité de courant élevée. Pour l'approche OA, le fait d'avoir le dispositif ESD à proximité du connecteur donne la densité de courant la plus faible à l'emplacement PHY, et l'ensemble du circuit fournit les meilleures performances ESD pour le système.

Ici, il est crucial de comprendre que CMC réduit le stress ESD pour le PHY. Ceci est expliqué lorsque l'on regarde le comportement du CMC dans des conditions pulsées (voir Figure 6).

Figure 6 : Réponse en courant et en tension d'un CMC typique pour les applications 1000BT1 basées sur des mesures TLP. La phase I représente un artefact de mesure de TLP. La phase II montre le comportement de blocage. La phase III montre la fin de la phase de blocage et le début de la saturation du CMC.

Ici, la méthode d'impulsion de ligne de transmission (TLP) est utilisée pour montrer que, lorsqu'une impulsion transitoire (par exemple, une impulsion ESD) se dirige vers le CMC, elle bloque le courant pendant une période de temps spécifique (phase II [le pic de la phase I est un artefact de mesure]). Cette phase de blocage dépend du niveau de tension de l'impulsion. Plus la tension est élevée, plus la phase de blocage est courte. La phase de blocage est suivie d'une phase de saturation (phase III). Ici, le CMC agit comme une inductance qui est amenée à saturation par l'impulsion. Une fois saturé, il commence à conduire le courant et la tension aux bornes du CMC chute.

Il s'agit d'un résultat intéressant, car il montre que lorsqu'une impulsion ESD approche du circuit 100BASE-T1 ou 1000BASE-T1, le CMC bloque le courant pendant les premières nanosecondes. Dans le même temps, la tension aux bornes du dispositif de protection ESD augmente. Une fois que le niveau de déclenchement est atteint à environ 140 V (voir Figure 3), le dispositif ESD bloque l'impulsion ESD à la terre. La tension totale sur le circuit chute à la tension de blocage du dispositif ESD qui est dans la plage de 30 à 40 V (voir le tracé TLP sur la figure 3).

Cette découverte montre comment la combinaison d'un dispositif de protection ESD à déclenchement élevé avec un CMC agit en synergie lors d'événements ESD. Il convient de noter que seul le CMC avec une inductance de l'ordre de ~ 100 µH présente un comportement de blocage suffisant, qui est de toute façon couvert par la spécification CMC.

En règle générale, les dispositifs de protection ESD sont disponibles dans différents packages. Le SOT23, un ensemble automobile courant et bien établi, est celui qui est largement utilisé. Un autre boîtier sans plomb est le SOD882BD. Il existe plusieurs options pour acheminer les lignes différentielles vers et depuis le boîtier (voir Figure 7), avec le classement indiqué dans le Tableau 3.

Figure 7 : Options de routage pour SOT23 et SOD882BD

Tableau 3 : Classement des différentes options de routage au regard de l'ESD et du SL

En général, lors du routage des packages ESD, cela doit être fait droit, en évitant les talons ou les coudes. Surtout pour l'ESD, les traces des lignes différentielles doivent passer par-dessus le pad de l'appareil ESD, comme c'est le cas pour SOT23 [A] et [C] et DFN1006BD (SOD882BD) [A]. Pour les besoins SI, les stubs doivent être évités et en plus l'impédance des lignes différentielles doit être maintenue à 100Ω. Ceci peut être réalisé en gardant la ligne séparée. Pour SOT23, la meilleure option serait B et C, et pour DFN1006BD, ce serait l'option A. Donc, dans l'ensemble, pour SOT23, nous recommandons d'utiliser l'option C, et pour DFN1006BD, l'option A.

En règle générale, essayez d'éviter les changements de couche inutiles pour obtenir la meilleure intégrité du signal. Cela aura toujours un impact sur le SI et l'EMC. Si le changement de couche ne peut pas être évité, acheminez le signal sur la pastille du dispositif ESD (voir Figure 8, gauche et droite). Evitez le routage via des stubs (voir Figure 8, milieu).

L'article traite de certaines des exigences uniques pour l'ensemble des circuits et de la protection ESD pour les applications 1000BASE-T1 et 1000BASE-T1. Montrant que la synergie des dispositifs de protection ESD avec la capacité de blocage du CMC crée un système Ethernet très robuste contre le bruit CEM et les ESD. En utilisant le scanner EMI, l'importance de la position de la protection ESD directement sur le connecteur est mise en évidence.

Il convient de mentionner que 10BASE-T1S est une norme supplémentaire qui est actuellement en discussion au sein des comités de l'OPEN Alliance. Étant donné que l'ensemble de la topologie de ce protocole, y compris UTP et CMC, est très similaire à 1000BASE-T1 et 1000BASE-T1, les exigences relatives à la tension de déclenchement élevée devraient être les mêmes.

andreas hardockautomobileesdEthernetnormestest

Andreas Hardock est responsable du marketing des applications chez Nexperia, avec un accent sur les problèmes ESD et EMC ayant un impact sur le domaine automobile. Hardock a étudié la technologie des nanostructures à l'Université Julius Maximilian de Würzburg et a obtenu son doctorat. dans le domaine des vias fonctionnels à l'Université technique de Hambourg-Harburg.

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