Hochspannungs-ESD-Schutz für Automotive-Ethernet-Anwendungen

Ethernet-Lösungen erfreuen sich seit mehreren Jahrzehnten großer Beliebtheit in Industrie- und Computeranwendungen, fanden jedoch im Automobilbereich keine breite Akzeptanz. Automotive Ethernet ermöglicht eine schnelle und robuste Datenkommunikation mit hoher Flexibilität bei Bustopologien für mehrere elektronische Steuergeräte (ECUs). Dies macht Ethernet-Technologien zu einem potenziellen Kandidaten für die Bereitstellung hoher Bandbreite, Konnektivität und robusten Betrieb und beschleunigt gleichzeitig die Entwicklung von Automobilnetzwerken von der Domänen- zur Zonenarchitektur.

Im Jahr 2016 wurden zwei Standards, 100BASE-T1 und 1000BASE-T1, für die Automobilindustrie entworfen. Ab 2022 werden zwei weitere Standards, nämlich 10BASE-T1s und MGB-T1, von den Gremien der One Pair Ethernet Network (OPEN) Alliance entwickelt. Zur OPEN Alliance gehören mehrere technische Gremien zur Standardisierung Ethernet-basierter Technologien im Automobilmarkt. Das Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) deckt 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 mit den Standards IEEE 802.3bw und IEEE 802.3bp ab. Beide wurden übernommen, um spezifische Automobilanforderungen zu erfüllen, vor allem im Zusammenhang mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

In diesem Artikel werden die Anforderungen und Eigenschaften moderner Halbleitergeräte zum Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) im Zusammenhang mit den Anforderungen in 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 untersucht. Wir werden hervorheben, wie ESD-Schutzgeräte in Synergie mit dem Rest der Schaltung wirken, was zu einem robusten System gegen zerstörerische ESD und EMV führt.

Für Automotive-Anwendungen ist die hohe Flexibilität von Ethernet-Verbindungen von Vorteil. Es kann in einer Sterntopologie verwendet werden, d. h. mit einem Switch als zentraler Punkt, der mit mehreren Domänen verbunden ist, z. B. ADAS, Infotainment oder anderen. Es funktioniert auch in einer Bustopologie, wie sie in herkömmlichen CAN- und FlexRay-Anwendungen verwendet wird.

Eine typische Buskonfiguration kann mehrere Ethernet-Knoten umfassen, wie in Abbildung 1 dargestellt, die fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) mit Sensoren an der Vorderseite und Displays im Fahrzeuginnenraum zeigt. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Standardisierung von 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 auf einem ungeschirmten Twisted Pair (UTP) basiert, wie in Abbildung 2 dargestellt. UTP-Kabel werden in der Automobilindustrie häufig verwendet und sind daher weit verbreitet und einfach zu verwenden , und wirtschaftlich. Allerdings bergen sie einige Fallstricke, insbesondere wenn es um das EMV-Verhalten geht.

Abbildung 1: Typische Konfiguration von Ethernet-Knoten in einem modernen Fahrzeug

Abbildung 2: Zwei Ethernet-Knoten sind über ein ungeschirmtes Twisted Pair (UTP) verbunden.

In einem modernen Auto verbinden Hunderte Meter Kabel die verschiedenen elektrischen Einheiten – von einer einfachen Klimaanlage bis hin zu einem sehr leistungsstarken Generator. Diese Kabel werden typischerweise in Bündeln verlegt, was das Risiko elektromagnetischer Interferenzen (EMI) zwischen ihnen erhöht. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass EMI im schlimmsten Fall zu induzierten Spitzenspannungsamplituden von bis zu 100 V im UTP führen kann. Da dies im Normalbetrieb passieren kann, wenn eine stabile Datenübertragung erforderlich ist, sollte die Ethernet-Schaltung robust genug sein, um diesen EMV-Problemen standzuhalten.

Die Schaltung jedes Knotens wird als von der OPEN Alliance standardisiert dargestellt (siehe Abbildung 3). Es enthält eine Gleichtaktdrossel (CMC), die das unerwünschte Gleichtaktrauschen filtert, das im UTP eingekoppelt wird. Darüber hinaus ist hier die Gleichtaktterminierung hilfreich. Die Eigenschaften des CMC für 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 sind in den CMC-Testspezifikationen für diese Standards1 definiert. Neben seinen Filter- und EMV-Eigenschaften ist der CMC auch beim Thema ESD sehr hilfreich, worauf wir im nächsten Abschnitt eingehen.

Abbildung 3: Schaltung des 100BASE-T1 und 1000BASE-T und die ESD-Leistung des ESD-Geräts

Aus Sicht des ESD-Schutzgeräts gibt es einige sehr interessante Punkte zu beachten. Erstens sollte das ESD-Gerät aufgrund des möglichen elektromagnetischen Rauschens am UTP nicht in einem Spannungsbereich von bis zu 100 V aktiviert werden. Was die ESD-Geräteparameter betrifft, so darf das ESD-Gerät nur über 100 V auslösen, wie in Abbildung 3 im TLP-Diagramm dargestellt. Ein solch hoher Wert mag beängstigend klingen, da der Großteil der physikalischen Schicht (PHY) für Hochleistungskameras und Displays solch hohen Spannungen nicht standhalten kann. Wir werden später sehen, dass diese spezielle Konfiguration der Schaltung (mit dem CMC) einen soliden Schutz für den PHY bietet.

Die zweite Anforderung ist die 15-kV-ESD-Robustheit basierend auf mindestens 1000 Entladungen. Diese bedeutende und einzigartige Anforderung zeigt die Bedeutung des robusten Betriebs von Ethernet-basierten Anwendungen im Automobilumfeld. Zusammen mit der 24-V-Betriebsspannung ähnlich wie bei CAN-Anwendungen ergibt sich daraus ein Strauß besonderer Anforderungen, der in Tabelle 1 dargestellt ist.

Zusätzlich zu den Anforderungen in Tabelle 1 muss das ESD-Gerät zusätzlichen Tests standhalten (siehe Tabelle 2). Diese Tests werden in der Regel von den ESD-Anbietern durchgeführt und können Hardware-Designingenieuren zur Verfügung gestellt werden.

Die Tests für 100BASSE-T1 und 1000BASE-T1 sind grundsätzlich gleich, weisen jedoch unterschiedliche Bestehenskriterien auf. Die ersten beiden Tests zeigen deutlich die Bedeutung der Signalintegrität (SI) in Automotive-Ethernet-Anwendungen. Hier sollte der Einfluss eines ESD-Schutzgeräts auf SI im Hinblick auf Einfügedämpfung (IL), Rückflussdämpfung (RL) und Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMMR) getestet werden (siehe Abbildung 4). Für alle drei Parameter sind in der „Spezifikation des ESD-Schutzes für 100BASE-T1 und 1000BASE-T1“ konkrete Grenzwerte angegeben. Der ESD-Entladestrom ist neu im Automobilbereich und quantifiziert den Strom, der während des ESD-Ereignisses in den PHY fließt. RF-Clamp simuliert das Rauschen auf dem UTP, das den 100-V-Anforderungen entspricht.

Abbildung 4: S-Parameter-Ergebnisse für ein ESD-Schutzgerät für 1000BASE-T1, einschließlich der Grenzwerte in Gelb

Für ein echtes Ethernet-Design ist nicht nur die Leistung des reinen ESD-Geräts wichtig. Die Implementierung des ESD-Geräts auf der Leiterplatte ist von entscheidender Bedeutung. Wie bereits in Abbildung 3 dargestellt, sollte sich das ESD-Gerät am Stecker befinden. Dadurch wird sichergestellt, dass der ESD-Impuls direkt an der Stelle des Steckverbinders auf Masse begrenzt wird, wodurch die gesamte Schaltung, einschließlich CMC, CMT und PHY selbst, geschützt wird. Abbildung 5 zeigt anschaulich, wie wichtig die Platzierung ist.

Abbildung 5: Feldscan der Ethernet-Schaltung während eines ESD-Ereignisses. Die rote Farbe hebt die hohe Stromdichte hervor. Beim OA-Ansatz sorgt die Platzierung des ESD-Geräts in der Nähe des Anschlusses für die niedrigste Stromdichte am PHY-Standort und die gesamte Schaltung bietet die beste ESD-Leistung für das System.

Hier ist es wichtig zu verstehen, dass CMC die ESD-Belastung für den PHY reduziert. Dies wird erklärt, wenn man das CMC-Verhalten unter gepulsten Bedingungen betrachtet (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6: Strom- und Spannungsverhalten eines typischen CMC für 1000BT1-Anwendungen basierend auf TLP-Messungen. Phase I stellt ein Messartefakt von TLP dar. Phase II zeigt das Blockierverhalten. Phase III zeigt das Ende der Blockierungsphase und den Beginn der Sättigung des CMC.

Hier wird die TLP-Methode (Transmission Line Pulse) verwendet, um zu zeigen, dass ein transienter Impuls (z. B. ein ESD-Impuls) auf dem Weg zum CMC den Strom für einen bestimmten Zeitraum blockiert (Phase II [der Höhepunkt in Phase I ist ein Messartefakt]). Diese Sperrphase ist abhängig von der Spannungshöhe des Impulses. Je höher die Spannung, desto kürzer ist die Sperrphase. Auf die Blockierungsphase folgt eine Sättigungsphase (Phase III). Hier fungiert der CMC als Induktor, der durch den Impuls in die Sättigung getrieben wird. Sobald es gesättigt ist, beginnt es, den Strom zu leiten, und die Spannung am CMC sinkt.

Dies ist ein interessantes Ergebnis, da es zeigt, dass der CMC den Strom für die ersten paar Nanosekunden blockiert, wenn sich ein ESD-Impuls der 100BASE-T1- oder 1000BASE-T1-Schaltung nähert. Gleichzeitig steigt die Spannung am ESD-Schutzgerät. Sobald der Triggerpegel bei etwa 140 V erreicht ist (siehe Abbildung 3), klemmt das ESD-Gerät den ESD-Impuls auf Masse. Die gesamte Spannung im Stromkreis sinkt auf die Klemmspannung des ESD-Geräts, die im Bereich von 30 bis 40 V liegt (siehe TLP-Diagramm in Abbildung 3).

Dieses Ergebnis zeigt, wie die Kombination eines ESD-Schutzgeräts mit hoher Auslösung und eines CMC bei ESD-Ereignissen synergetisch wirkt. Dabei ist zu beachten, dass nur CMC mit einer Induktivität im Bereich von ~100µH ein ausreichendes Sperrverhalten zeigen, was ohnehin durch die CMC-Spezifikation abgedeckt ist.

Typischerweise sind ESD-Schutzgeräte in verschiedenen Paketen erhältlich. Weit verbreitet ist SOT23, ein gängiges und etabliertes Automotive-Gehäuse. Ein alternatives bleifreies Gehäuse ist das SOD882BD. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Differentialleitungen zum und vom Paket zu verlegen (siehe Abbildung 7). Die Reihenfolge ist in Tabelle 3 angegeben.

Abbildung 7: Routing-Optionen für SOT23 und SOD882BD

Tabelle 3: Rangfolge der verschiedenen Routing-Optionen hinsichtlich ESD und SL

Im Allgemeinen sollte die Verlegung der ESD-Pakete gerade erfolgen und Stümpfe oder Biegungen vermeiden. Insbesondere bei ESD sollten die Spuren der Differenzleitungen über das Pad des ESD-Geräts verlaufen, wie dies bei SOT23 [A] und [C] und DFN1006BD (SOD882BD) [A] der Fall ist. Für SI-Zwecke sollten Stichleitungen vermieden werden und außerdem muss die Impedanz der Differenzleitungen bei 100 Ω gehalten werden. Dies kann erreicht werden, indem die Leitung getrennt gehalten wird. Für SOT23 wäre die beste Option B und C, und für DFN1006BD wäre es Option A. Insgesamt empfehlen wir also für SOT23 die Verwendung von Option C und für DFN1006BD Option A.

Versuchen Sie grundsätzlich, unnötige Schichtwechsel zu vermeiden, um die beste Signalintegrität zu erreichen. Dies wird immer Auswirkungen auf SI und EMC haben. Wenn sich ein Schichtwechsel nicht vermeiden lässt, leiten Sie das Signal über das Pad des ESD-Geräts (siehe Abbildung 8, links und rechts). Vermeiden Sie das Routing über Stubs (siehe Abbildung 8, Mitte).

Der Artikel erörtert einige der besonderen Anforderungen an die gesamte Schaltung und den ESD-Schutz für 1000BASE-T1- und 1000BASE-T1-Anwendungen. Dies zeigt, dass die Synergie der ESD-Schutzgeräte mit der Blockierfähigkeit des CMC ein sehr robustes Ethernet-System gegen EMV-Rauschen und ESD schafft. Durch den Einsatz des EMI-Scanners wird die Bedeutung der Position des ESD-Schutzes direkt am Stecker hervorgehoben.

Es sollte erwähnt werden, dass es sich bei 10BASE-T1S um einen zusätzlichen Standard handelt, der derzeit in den Gremien der OPEN Alliance diskutiert wird. Da die gesamte Topologie dieses Protokolls einschließlich UTP und CMC 1000BASE-T1 und 1000BASE-T1 sehr ähnlich ist, werden voraussichtlich die gleichen Anforderungen an die hohe Triggerspannung gestellt.

andreas hardockautomotiveesdEthernetstandardstesting

Andreas Hardock ist Application Marketing Manager bei Nexperia mit Schwerpunkt auf ESD- und EMV-Problemen im Automobilbereich. Hardock studierte Nanostrukturtechnik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und promovierte zum Dr. im Bereich Functional Vias an der Technischen Universität Hamburg-Harburg.

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