借助高耐性ESD抑制器采取车载Ethernet的ESD对策

2023/1/27

Open Alliance（车载Ethernet标准化组织）ESD对策电路
Open Alliance规定的ESD保护元件规格与要求试验
Open Alliance 要求试验中高耐性ESD抑制器的评估结果
小结
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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大的趋势。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。

Open Alliance（车载Ethernet标准化组织）ESD对策电路

作为车载Ethernet标准化组织的Open Alliance，如下图所示规定了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。在以前我们介绍的消息（车载LAN（Ethernet）的ESD对策）中，主流的电路构成是在ESD_2中配置一个TVS二极管，而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。但是，有关配置在ESD_1中的ESD保护元件，其要求规格和试验项目已由Open Alliance做出规定。

Open 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 由Open Alliance规定的ESD保护元件的要求规格

项目	要求规格	高耐性ESD抑制器
极性	无极性（双向）	无极性（双向）
容许电路电压（Vdc max.）	DC 24V以上	DC 50V max.
ESD触发电压	100V以上	400V以上（typ.）
ESD耐性	150pF/330Ω　±15kV	1150pF/330Ω　±25kV (typ.)
ESD外加次数	1000 times or more (IEC level 4)	1000 times or more (IEC level 4)

表2 由Open Alliance规定的ESD保护元件的要求试验

No.	试验项目	试验目的	试验概要
1	Mixed Mode S-parameter measurement	差动信号的品质评估	S参数测量（Sdd11, Sdd21, Ssd21）
2	Damage from ESD	ESD外加时的信号品质评估	测量ESD外加前后的S参数变动
3	ESD discharge current measurement	使用ESD保护元件时流过PHY的ESD电流评估	对在包含ESD保护元件、终端电路、CMC的电路中流过PHY的电流进行模拟评估
4	Test of unwanted Clamping Effect at RF immunity Tests	RF功率外加时的抗干扰性评估	对标准功率外加高功率时的S参数变动进行评估

Open Alliance 要求试验中高耐性ESD抑制器的评估结果

1. Mixed Mode S-parameter measurement

作为信号品质的评估，测量下述３个S参数。
①Sdd11（返回损耗）：输入的差分信号在输入端的反射量
②Sdd21（插入损耗）：输入的差分信号在输出端的损耗量
③Ssd21（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 1 — 图3　Mixed Mode S-parameter的评估结果

图3　Mixed Mode S-parameter的评估结果 2 — 图3　Mixed Mode S-parameter的评估结果

2. Damage from ESD

＜评估ESD外加引起的S参数变动的步骤＞
　（1）测量初始值（ESD外加前）的S参数（Sdd11,Sdd21,Scd21）
　（2）IEC61000-4-2 接触放电±8kV　各外加20次　→　测量S参数
　（3）IEC61000-4-2 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 1 — 图4 Damage from ESD的评估结果

图4 Damage from ESD的评估结果 2 — 图4 Damage from ESD的评估结果

3. 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 1 — 图6 使用ESD保护元件时流过PHY的ESD电流评估

图6 使用ESD保护元件时流过PHY的ESD电流评估 2 — 图6 使用ESD保护元件时流过PHY的ESD电流评估

4. 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。

小结

有关今后将由Open Alliance（一个作为车载网络通信具有前景的车载Ethernet的标准化组织）规定的ESD保护元件的要求规格和各个试验项目，我们在这里介绍了由本公司开发而成的高耐性ESD抑制器中各个试验项目的评估结果。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。