车载LAN (Ethernet) 的ESD对策

为解决课题的确认

确认以下事项，即车载Ethernet PHY供应商推荐的关于ESD对策电路的2大课题，可通过使用高耐性静电抑制器并将其配置在连接器正下方的提案电路得到解决。

1. PHY（物理层IC）的ESD保护效果的恶化

   1) 零部件单体下ESD抑制特性的比较

   包括对各ESD对策零部件的基本特性的理解在内，对只局限于ESD对策零部件的ESD抑制电压波形（模拟向应该保护的PHY IC施加的电压）进行比较。

   

   

   

   如图形所示，钳位电压（从波峰值经过约30ns后的电压，相当于第2峰值）虽然大致相同，但TVS二极管的峰值电压（波峰值的电压，相当于第1峰值）降低。

   2) 与CMNF组合时的ESD抑制特性的比较

   此次作为与实际的对策电路相近似的条件，我们在追加了CMNF的构成下进行比较。

   

   

   

   

   评价条件：ISO10605（330pF-2kΩ）、接触放电25kV
   静电测试仪：噪声研究所ESS-2002、示波器：泰克（Tektronix）DPO7254

   作为结果可确认以下事实，在伴随有作为电路构成所需的CMNF时，高耐性静电抑制器的ESD抑制电压波形的第1峰值低，比TVS二极管更为有效。
   
   这是因为，在阻抗高达1～10kΩ左右的CMNF位于高耐性静电抑制器后段的电路中，大部分的ESD电流会因CMNF的高阻抗而流向ESD抑制器，相比之下，在CMNF位于前段的TVS二极管的电路中，CMNF并不帮助ESD电流流过TVS二极管。
   
   也就是说，可以弄清以下事实：在使用TVS二极管的ESD对策电路中，由于不得不将TVS二极管设置在CMNF与PHY之间，相对于PHY的ESD保护效果恶化。通过使用ESD抑制器，可将其配置在CMNF的前段（实际上是配置在连接器正下方），能够有效地保护PHY。

2. 终端电阻器R1、R2的ESD导致的劣化

   实际的电路上，终端电阻器存在于连接器端。电阻器也因ESD而劣化是已知的事实，在采取ESD对策时，还必须对电阻器加以保护。以下所示为对其分别进行了模拟的电路和ESD试验结果。

   

   

   ESD对策零部件	电阻值变化率ΔR (%)
   	Ave.	Max.	Min.
   TVS二极管 (C：1.2pF typ.)	-2.70	-2.50	-2.90
   高耐性静电抑制器 (C：0.1pF typ.)	-0.03	-0.02	-0.06

   从对各自施加ESD后评价1kΩ的终端电阻器的电阻值变化率的结果来看，在基于TVS二极管的保护电路中，电阻值约有-3%的变化。这可能是因为ESD被直接施加到终端电阻器上，用红色的箭头表示的ESD电流会流向终端电阻器和TVS二极管这两者，所以导致了电阻器的劣化。试验中使用的电阻器是抗电涌品，而如果采用一般品，导致劣化的可能性则将更大。当终端电阻器的电阻值发生变化时，部分差动信号转换为共模噪声的模式转换量Scd21的衰减量将会恶化。
   
   在使用高耐性静电抑制器的构成中，电阻值变化率停留在±0.1%以内。这表明，由于高耐性静电抑制器位于初段，ESD电流大致上可流向高耐性静电抑制器，所以终端电阻器也得到ESD的保护。因此，我们弄清了以下事实：要将TVS二极管作为ESD对策零部件使用时，不得不像车载Ethernet PHY供应商所推荐的那样将其配置在CMNF和Ethernet PHY之间。与此相比，我们确认了可将高耐性静电抑制器配置在连接器正下方的情况。

车载Ethernet ESD对策的小结

为了实现ADAS（先进驾驶辅助系统）等目标，车载Ethernet被作为车载ECU的高速通信网络备受人们的青睐。作为该ESD对策，Ethernet PHY供应商推荐的方法面临2大课题，即①PHY的ESD保护效果的恶化；②终端电阻器R1、R2的ESD引起的劣化。

这里，为了解决该课题，相对于使用TVS二极管的电路构成，我们提出的方案是使用高耐性静电抑制器的保护电路。高耐性静电抑制器，其抑制动作开始电压高，即使将其设置在连接器正下方也不会因BCI试验所代表的噪声而造成误动作，通过与阻抗高的CMNF进行组合，可相比TVS二极管更加有效地保护PHY元器件。此外，由于可将其设置在连接器正下方，还可对之后的终端电阻器进行保护，从而可解决Ethernet PHY供应商推荐的方法所面临的课题。

此外，由于静电电容极低（0.1pF），因而不仅可对应作为车载Ethernet的标准规格即100BASE-T1（传输速率100Mbps）、1000BASE-T1（1Gbps），而且还可对应数千兆位（2.5G/5G/10Gbps）的高速通信（尽管本次我们并没有涉及这方面的内容）。

高耐性静电抑制器与TVS二极管的差异

最后，作为基础知识，这里对高耐性静电抑制器与TVS二极管的差异进行描述。

	高耐性静电抑制器	TVS二极管 (ZD)
结构
电压、 电流曲线
动作原理
特点	低静电电容 (0.1pF typ.) 无极性	ESD抑制效果优异 内置2个元件， 有极性(单一方向) 静电电容 (C:1.2～1.8pF) E