借助高耐性ESD抑制器采取车载Ethernet的ESD对策

随着汽车驾驶辅助技术的发展和能够与车外通信的电子设备的普及，车载电子控制单元（车载ECU）的安装数量有望增加，车载网络的通信负荷也呈现增长趋势。车载Ethernet作为一种具有高速、大容量的车载网络通信前景光明，它与CAN相比，数据传输速度更快，并且可基于IP（Internet Protocol因特网协议）进行数据交换，因而具有易采用民用Ethernet技术，安全性高等优点。

本文将介绍针对车载Ethernet的ESD对策效果显著的高耐性ESD抑制器的评估结果。

01Open Alliance（车载Ethernet标准化组织）ESD对策电路Open Alliance，规定了ESD保护元件的配置（图1）。ESD对策零部件的配置，可以选择配置在连接器正下方的ESD_1、或配置在共模扼流圈（下称CMC）与Ethernet PHY（物理层IC）之间的ESD_2的任何一种构成。现在主流的电路构成则是在靠近ESD输入部的ESD_1中配置一个ESD保护元件，其要求规格和试验项目已由Open Alliance做出规定。

图1 由Open Alliance规定的ESD保护元件的配置

02Open Alliance规定的ESD保护元件规格与要求试验

Ethernet通信中，ESD-1的触发电压（工作开始电压）为100V以上，相比之下，在CAN通信的ESD对策中使用的ESD保护元件（层叠压敏电阻和TVS二极管）的工作开始电压则为27V以上，要求对应高触发电压。本公司生产的高耐性ESD抑制器满足下表所示的由Open Alliance规定的ESD保护元件的要求规格。

下一节中，我们将介绍表2所示的ESD保护元件的要求试验中高耐性ESD抑制器的评估结果。

表1 Open Alliance规定的ESD保护元件的要求规格

表2 Open Alliance规定的ESD保护元件的要求试验

03Open Alliance要求试验中高耐性ESD抑制器的评估结果

Mixed Mode S-parameter measurement

作为信号品质的评估，测量下述３个S参数。

Sdd11（返回损耗）：输入的差分信号在输入端的反射量

Sdd21（插入损耗）：输入的差分信号在输出端的损耗量

Ssd21（信号模式转换）：输入的差分信号在输出端被转换成共模信号的量有关Sdd11和Sdd21，已知ESD保护元件的静电电容的绝对值、成对使用的静电电容之差值增大时Ssd21（信号模式转换）变差。

静电电容:0.1pF，容差:+0.1/-0.08pF，静电电容的绝对值小，窄容差的高耐性ESD抑制器，其信号品质优异，满足要求规格。

图3 Mixed Mode S-parameter的评估结果

Damage from ESD

＜评估ESD外加引起的S参数变动的步骤＞

• 测量初始值（ESD外加前）的S参数（Sdd11,Sdd21,Scd21）

I

• EC61000-4-2 接触放电±8kV各外加20次→测量S参数

I

• EC61000-4-2

接触放电±15kV各外加20次→测量S参数

＜判定基准＞

Sdd11,Scd21（4个端口上的信号模式转换），ESD外加前后的变动为±1dB以内

Sdd21，ESD外加前后的变动为±0.1dB以内。譬如，在ESD耐性低的ESD保护元件中，S参数因绝缘劣化而大幅变化，无法再满足1项的Mixed mode S-parameter的标准。高耐性ESD抑制器具有25kV的ESD耐性，因而ESD外加引起的S参数变动符合上述基准。

图4 Damage from ESD的评估结果

ESD discharge current measurement

关于S参数，仅通过ESD保护元件进行评估，而关于此试验，则如下图所示预想实际的电路进行评估。将PHY工作时的阻抗模拟为CMC后级的2Ω电阻，根据示波器的电压波形来评估流向PHY的电流。

Open Alliance的标准书中按电流值分类为ClassIII、ClassII、ClassI，这意味着ClassIII是最佳的ESD保护元件。

图5 使用ESD保护元件时流过PHY的ESD电流评估的模拟电路与电流值变化

图6中示出在高耐性ESD抑制器与100BASE-T1用的CMC的组合时外加+3kV到+15kV而得的电流波形。虽然波峰部流过5A左右的电流，这是ClassIII的Limit值，但是之后的电流值几乎为0A，抑制了流向PHY的泄漏电流。即使升高ESD外加电压，电流波形也几乎没有什么变化，高耐性ESD抑制器抑制了流向PHY的泄漏电流，相当于３个Class中最优异的ClassIII。

图6 使用ESD保护元件时流过PHY的ESD电流评估

Unwanted Clamping Effect

at RF immunity Test

此试验中，同样不是通过ESD保护元件单独进行电路评估，而是并用ESD保护元件和CMC进行电路评估（图7）。这是对ESD保护元件在RF功率外加时是否抑制噪声进行评估，因而需要将对作为基准的RF功率外加时的CMR（Common Mode Rejection,共模抑制）外加高于基准值的高功率时的CMR的变动抑制在±1dB以内。另外，CMR通过下式来表示。

CMR= P_in - P_out

图7 RF功率外加时的抗干扰性评估的模拟电路

图8中示出RF功率外加时的抗干扰性的评估结果。即使将39dBm的ClassIII的RF功率外加到20dBm的标准值上，CMR也没有什么变化，可见对于RF功率外加具有较高的抗干扰性。

图8 RF功率外加时的抗干扰性评估结果

04小结

高耐性ESD抑制器在第三方认证机关（FTZ）的评估中符合100BASE-T1的要求规格，为采取效果更显著的车载Ethernet的ESD对策做出贡献。