车载LAN (Ethernet) 的ESD对策

2020-05-26

问题解决案例

技术信息

车载LAN (Ethernet) 的ESD对策

前言

车载系统的ECU(电子控制装置)的通信网络上使用CAN和LIN等规格。要实现近年来尤其引人注目的ADAS(先进驾驶辅助系统)等目标,作为100Mbps以上的高速通信规格的车载Ethernet备受人们的青睐。与其他规格一样,当然必须对ESD进行保护。对策中包括车载Ethernet PHY(物理层IC)供应商推荐的方法,但面临着诸多课题。这里作为车载Ethernet的更加有效的ESD对策,提出基于高耐性静电抑制器的对策。

车载Ethernet PHY供应商推荐的ESD对策和课题

一般所说的网络的ESD对策(譬如CAN的情况也一样),原则性的方法是在设备或单元与网络(线缆)的连接点即连接器正下方配置ESD对策零部件。而车载Ethernet的PHY供应商则推荐将作为ESD对策零部件的TVS二极管配置在CMNF(共模噪声滤波器)与PHY之间的构成。这是因为,车载Ethernet的情况下,如果采用在连接器正下方配置TVS二极管的构成,则在大多数汽车相关厂家引入的BCI(Bulk Current Injection)试验中会发生通信错误(详见后述内容)。

TVSダイオードをコネクタ直下ではなくCMNFとPHYの間に配置 graph
车载Ethernet PHY供应商推荐的ESD对策电路构成
不是将TVS二极管配置在连接器正下方,而是将其配置在CMNF与PHY之间

但是,在无法将作为ESD对策零部件的TVS二极管配置在连接器正下方的此电路构成中,遇到以下2大课题。

  1. PHY(物理层IC)的ESD保护效果的恶化
  2. 终端电阻器R1、R2的ESD导致的劣化

使用为解决课题的高耐性静电抑制器的ESD对策电路

为了解决车载Ethernet PHY供应商推荐的ESD对策电路中遇到的2大课题,这里列出取代TVS二极管而使用高耐性静电抑制器的ESD对策电路。

高耐量ESDサプレッサをコネクタ直下に配置可能 graph
为了解决课题而将ESD对策零部件变更为高耐性静电抑制器时的电路构成
可将高耐性静电抑制器配置在连接器正下方

通过取代TVS二极管而使用高耐性静电抑制器,就可将ESD对策零部件配置在连接器正下方。

基于BCI试验的验证

BCI(Bulk Current Injection:大电流注入)试验,是利用BCI探针向车载用电气电子零部件的电源线和信号线等注入RF电流,对误动作水平和干扰排除能力进行评价的一种试验,大多数汽车相关厂家都已引入这种试验方法。在此BCI试验中,验证了各自的ESD对策电路构成的有效性。
在作为原则性方法的连接器正下方配置了ESD对策零部件的电路(ESD_1)的试验中,TVS二极管上发生了通信错误,而高耐性静电抑制器上则没有发生通信错误(参照表)。根据这一结果,如前面所说明的那样,我们确认了车载Ethernet PHY供应商无法推荐此电路构成的情况。顺便提一下,在基于车载Ethernet PHY供应商推荐电路(ESD_2)进行的确认中,TVS二极管上也没有发生通信错误。

零部件配置:(ESD_1)
连接器-ESD-CMNF-PHY

部品配置ESD_1 graph

零部件配置:(ESD_2)
连接器-CMNF-ESD-PHY

部品配置ESD_2 graph

BCI试验方法:闭回路法、注入电流:200mA、频率:1~400MHz

ESD对策零部件的配置不同的电路中的BCI试验结果
配置在连接器正下方时,TVS二极管上发生了通信错误,而高耐性静电抑制器上则没有发生通信错误
ESD对策零部件 静电电容 动作开始电压 零部件配置 试验结果
高耐性静电抑制器 0.1pF typ. DC:400~500V ESD_1 Pass
TVS二极管 1.2pF typ. VBR:11V ESD_1 Fail
TVS二极管 1.2pF typ. VBR:11V ESD_2 Pass

得到如此结果,可能是因为以下原因所致:抑制动作开始电压低(11V)的TVS二极管,在钳制低电压区域的噪声时所需的差动信号也会随之消减;而抑制动作开始电压在400V以上的高耐性静电抑制器,不进行差动信号的钳制就让其通过。

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。

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。
    TVS二极管
    TVSダイオード,TVS二极管 graph
    高耐性静电抑制器
    高耐量ESDサプレッサ,高耐性静电抑制器 graph
    评价方法
    評価方法,评价方法 graph

    评价条件:IEC61000-4-2
    (150pF-330Ω)、接触放电8kV
    静电测试仪:噪声研究所ESS-2002
    示波器:泰克(Tektronix)DPO7254

    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。

    TVS二极管
    TVSダイオード,TVS二极管 graph
    高耐性静电抑制器
    高耐量ESDサプレッサ,高耐性静电抑制器 graph
    TVSダイオード,TVS二极管 graph
    高耐量ESDサプレッサ,高耐性静电抑制器 graph

    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。

    回路 graph
    回路 graph
    评价条件:ISO10605(330pF-2kΩ)逐步地施加接触放电±15、±20、±25kV各10次(共60次)样本电阻器:本公司量产品(抗电涌品)
    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 構造-高耐量ESDサプレッサ,高耐性静电抑制器 graph 構造-TVSダイオード,TVS二极管(ZD) graph
电压、
电流曲线
電圧-高耐量ESDサプレッサ,高耐性静电抑制器 graph 電圧-TVSダイオード,TVS二极管(ZD) graph
动作原理
動作原理-高耐量ESDサプレッサ graph
内部电极间的微间隙放电
在空腔内的气体 (Air) 中进行电弧放电
動作原理-高耐量ESDサプレッサ graph
通常,电流不会流向相反方向
→若施加高电压就会有耗尽层流过
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
img

高耐性静电抑制器利用端子电极间的气隙,获得高动作(触发器)电压。TVS二极管基本上是齐纳二极管,由硅酮的PN结构成,齐纳电压成为动作电压。此电压差有相当的差异,但是动作后的钳位电压与TVS二极管大致相同。

※测量条件:阪和电子工业 HED-T5000-HC(大电流TLP测试仪)、脉冲上升:10nsec、
脉冲宽度:100nsec

相关产品信息

●静电抑制器

https://industrial.panasonic.cn/ea/products/emc-circuit-protection/circuit-protection/esd-suppressor

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