Protección ESD de alto voltaje para aplicaciones de Ethernet automotriz

Las soluciones de Ethernet han sido populares en aplicaciones industriales y de cómputo durante varias décadas, pero no fueron ampliamente adoptadas en el área automotriz. Automotive Ethernet permite una comunicación de datos rápida y robusta, con alta flexibilidad en topologías de bus para múltiples unidades de control electrónico (ECU). Esto convierte a las tecnologías de Ethernet en un candidato potencial para proporcionar un alto ancho de banda, conectividad y un funcionamiento sólido, al mismo tiempo que acelera la evolución de las redes automotrices desde el dominio a la arquitectura zonal.

En 2016, se redactaron dos estándares, 100BASE-T1 y 1000BASE-T1, para la industria automotriz. A partir de 2022, los comités de la Alianza One Pair Ethernet Network (OPEN) están desarrollando dos estándares adicionales, a saber, 10BASE-T1s y MGB-T1. OPEN Alliance incluye varios comités técnicos para la estandarización de tecnologías basadas en Ethernet en el mercado automotriz. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) cubre 100BASE-T1 y 1000BASE-T1 con los estándares IEEE 802.3bw e IEEE 802.3bp. Ambos se adoptaron para satisfacer requisitos automotrices específicos, en su mayoría relacionados con la compatibilidad electromagnética (EMC).

Este artículo analizará los requisitos y las propiedades de los dispositivos modernos de protección contra descargas electrostáticas (ESD) de semiconductores en relación con los requisitos detallados en 100BASE-T1 y 1000BASE-T1. Destacaremos cómo los dispositivos de protección ESD actúan en sinergia con el resto de los circuitos, lo que da como resultado un sistema robusto contra ESD y EMC destructivos.

La alta flexibilidad de las conexiones Ethernet es una ventaja para las aplicaciones automotrices. Se puede utilizar en una topología en estrella, es decir, tener un conmutador como punto central conectado a varios dominios, por ejemplo, ADAS, Infoentretenimiento u otros. También funciona en una topología de bus como se ha utilizado en las aplicaciones tradicionales CAN y FlexRay.

Una configuración típica de bus puede incluir varios nodos Ethernet, como se muestra en la Figura 1, que muestra sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) con sensores en la parte delantera y pantallas en el interior del automóvil. Es crucial comprender que la estandarización de 100BASE-T1 y 1000BASE-T1 se basa en un par trenzado sin blindaje (UTP) como se muestra en la Figura 2. Los cables UTP se usan ampliamente en la industria automotriz y, por lo tanto, son comunes y fáciles de usar. y económico. Sin embargo, tienen algunos inconvenientes, especialmente cuando se observa el comportamiento de EMC.

Figura 1: Configuración típica de nodos Ethernet en un vehículo moderno

Figura 2: dos nodos Ethernet están conectados mediante un par trenzado sin blindaje (UTP)

En un automóvil moderno, cientos de metros de cable conectan todas las diferentes unidades eléctricas, desde una simple unidad de control de clima hasta un generador muy potente. Esos cables generalmente se colocan en paquetes, lo que aumenta el riesgo de interferencia electromagnética (EMI) entre ellos. Investigaciones posteriores han demostrado que, en el peor de los casos, la EMI puede generar amplitudes de voltaje pico inducidas de hasta 100 V en la UTP. Teniendo en cuenta que esto puede suceder durante el funcionamiento normal cuando se requiere una transferencia de datos estable, el circuito de Ethernet debe ser lo suficientemente robusto para soportar esos problemas de EMC.

El circuito de cada nodo se muestra según lo estandarizado por OPEN Alliance (consulte la Figura 3). Incluye un estrangulador de modo común (CMC) que filtra el ruido de modo común no deseado que se acopla en el UTP. Además, la terminación de modo común es útil aquí. Las propiedades de la CMC para 100BASE-T1 y 1000BASE-T1 se definen en las especificaciones de prueba de la CMC para estos estándares1. Además de sus propiedades de filtrado y EMC, la CMC también es muy útil cuando se trata de ESD, que abordaremos en la siguiente sección.

Figura 3: Circuito de 100BASE-T1 y 1000BASE-T y rendimiento ESD del dispositivo ESD

Desde la perspectiva del dispositivo de protección ESD, hay varios puntos muy interesantes a considerar. Primero, según el posible ruido electromagnético en el UTP, el dispositivo ESD no debe activarse en un rango de voltaje de hasta 100 V. Hablando en parámetros del dispositivo ESD, el dispositivo ESD puede activarse solo por encima de 100 V, como se muestra en la Figura 3 en el gráfico TLP. Un valor tan alto puede dar miedo, ya que la mayor parte de la capa física (PHY) de las cámaras y pantallas de alto rendimiento no puede soportar voltajes tan altos. Veremos más adelante que esta configuración específica del circuito (con el CMC) proporciona una protección sólida para el PHY.

El segundo requisito es la robustez de 15k V ESD basada en un mínimo de 1000 descargas. Este requisito significativo y único muestra la importancia de la operación robusta de las aplicaciones basadas en Ethernet en el entorno automotriz. Todo esto, combinado con el voltaje de operación de 24 V similar al que se encuentra en las aplicaciones CAN, da como resultado un conjunto de requisitos especiales que se muestran en la Tabla 1.

Además de los requisitos de la Tabla 1, el dispositivo ESD debe soportar pruebas adicionales (consulte la Tabla 2). Estas pruebas generalmente las realizan los proveedores de ESD y se pueden proporcionar a los ingenieros de diseño de hardware.

Las pruebas para 100BASSE-T1 y 1000BASE-T1 son básicamente las mismas pero con diferentes criterios de aprobación. Las dos primeras pruebas muestran claramente la importancia de la integridad de la señal (SI) en las aplicaciones de Ethernet para automóviles. Aquí, el impacto en SI de un dispositivo de protección ESD debe probarse en términos de pérdida de inserción (IL), pérdida de retorno (RL) y relación de rechazo de modo común (CMMR) (consulte la Figura 4). Para los tres parámetros, los límites específicos se dan en la "Especificación de la protección ESD para 100BASE-T1 y 1000BASE-T1". La corriente de descarga de ESD es nueva en el dominio automotriz, ya que cuantifica la corriente que fluye hacia el PHY durante el evento de ESD. La fijación de RF simula el ruido en el UTP que cubre el requisito de 100 V.

Figura 4: Resultados del parámetro S para un dispositivo de protección ESD para 1000BASE-T1, incluidos los límites en amarillo

Para un diseño Ethernet real, el rendimiento del dispositivo ESD puro no es el único factor importante. La implementación del dispositivo ESD en la PCB es vital. Como ya se ilustró en la Figura 3, el dispositivo ESD debe ubicarse en el conector. Esto asegura que el pulso ESD se sujete a tierra directamente en la ubicación del conector, protegiendo todo el circuito, incluidos el CMC, el CMT y el propio PHY. La figura 5 muestra una prueba visual de la importancia de la ubicación.

Figura 5: Escaneo de campo del circuito Ethernet durante un evento de ESD. El color rojo resalta la alta densidad de corriente. Para el enfoque OA, tener el dispositivo ESD cerca del conector proporciona la densidad de corriente más baja en la ubicación PHY y todo el circuito proporciona el mejor rendimiento de ESD para el sistema.

Aquí es crucial entender que CMC está reduciendo el estrés de ESD para el PHY. Esto se explica al observar el comportamiento de la CMC en condiciones pulsadas (consulte la Figura 6).

Figura 6: Respuesta de corriente y voltaje de un CMC típico para aplicaciones 1000BT1 basado en mediciones TLP. La fase I representa un artefacto de medición de TLP. La fase II muestra el comportamiento de bloqueo. La Fase III muestra el final de la fase de bloqueo y el inicio de la saturación de la CMC.

Aquí se usa el método de pulso de línea de transmisión (TLP) para mostrar que, cuando un pulso transitorio (p. ej., pulso ESD) se dirige al CMC, bloquea la corriente durante un período de tiempo específico (fase II [el pico en la fase I es un artefacto de medición]). Esta fase de bloqueo depende del nivel de voltaje del pulso. Cuanto mayor sea el voltaje, más corta será la fase de bloqueo. A la fase de bloqueo le sigue una fase de saturación (fase III). Aquí, el CMC actúa como un inductor que se satura por el pulso. Una vez saturado, comienza a conducir la corriente y el voltaje a través del CMC cae.

Este es un resultado interesante, ya que muestra que cuando un pulso ESD se acerca al circuito 100BASE-T1 o 1000BASE-T1, el CMC bloquea la corriente durante los primeros nanosegundos. Al mismo tiempo, el voltaje a través del dispositivo de protección ESD aumenta. Una vez que se alcanza el nivel de disparo a aproximadamente 140 V (consulte la Figura 3), el dispositivo ESD sujeta el pulso ESD a tierra. Todo el voltaje en el circuito cae al voltaje de sujeción del dispositivo ESD que está en el rango de 30 a 40 V (vea la gráfica TLP en la Figura 3).

Este hallazgo muestra cómo la combinación de un dispositivo de protección ESD de activación alta con un CMC actúa en sinergia durante los eventos de ESD. Cabe señalar que solo CMC con una inductancia en el rango de ~100 µH muestra un comportamiento de bloqueo suficiente, que de todos modos está cubierto por la especificación CMC.

Por lo general, los dispositivos de protección ESD están disponibles en diferentes paquetes. Uno que se usa ampliamente es el SOT23, un paquete automotriz común y establecido. Un paquete alternativo sin cables es el SOD882BD. Hay varias opciones para enrutar las líneas diferenciales hacia y desde el paquete (ver Figura 7), con la clasificación dada en la Tabla 3.

Figura 7: Opciones de enrutamiento para SOT23 y SOD882BD

Tabla 3: Clasificación de las diferentes opciones de enrutamiento con respecto a ESD y SL

En general, al enrutar los paquetes ESD, debe hacerse de forma recta, evitando tocones o dobleces. Especialmente para ESD, las trazas de las líneas diferenciales deben pasar por la almohadilla del dispositivo ESD, como se hace para SOT23 [A] y [C] y DFN1006BD (SOD882BD) [A]. Para fines SI, se deben evitar los terminales auxiliares y, además, la impedancia de las líneas diferenciales se debe mantener en 100 Ω. Esto se puede lograr manteniendo la línea separada. Para SOT23 la mejor opción sería la B y C, y para DFN1006BD sería la opción A. Entonces, en general, para SOT23 recomendamos usar la opción C y para DFN1006BD la opción A.

Como regla general, trate de evitar cambios de capa innecesarios para lograr la mejor integridad de la señal. Esto siempre tendrá un impacto en el SI y EMC. Si no se puede evitar cambiar la capa, dirija la señal sobre el pad del dispositivo ESD (vea la Figura 8, izquierda y derecha). Evite el enrutamiento a través de stubs (consulte la Figura 8, en el medio).

El artículo analiza algunos de los requisitos únicos para todo el circuito y la protección ESD para aplicaciones 1000BASE-T1 y 1000BASE-T1. Demostrando que la sinergia de los dispositivos de protección ESD con la capacidad de bloqueo del CMC crea un sistema Ethernet muy robusto contra el ruido EMC y ESD. Al usar el escáner EMI, se destaca la importancia de la posición de la protección ESD directamente en el conector.

Cabe mencionar que 10BASE-T1S es un estándar adicional que actualmente se encuentra en discusión dentro de los comités de OPEN Alliance. Dado que toda la topología de este protocolo, incluidos UTP y CMC, es muy similar a 1000BASE-T1 y 1000BASE-T1, se espera que los requisitos para el alto voltaje de disparo sean los mismos.

andreas hardockautomotiveesdEthernetstandardstesting

Andreas Hardock es el gerente de marketing de aplicaciones en Nexperia, con un enfoque en los problemas de ESD y EMC que afectan el dominio automotriz. Hardock estudió tecnología de nanoestructuras en la Universidad Julius Maximilian de Würzburg y obtuvo su Ph.D. en el campo de las vías funcionales en la Universidad Técnica de Hamburg-Harburg.

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