車載イーサネットアプリケーション向けの高電圧 ESD 保護

イーサネットソリューションは、数十年にわたって産業およびコンピューティングアプリケーションで普及してきましたが、自動車分野では広く採用されていませんでした。車載イーサネットは、複数の電子制御ユニット (ECU) のバストポロジに高い柔軟性をもたらし、高速かつ堅牢なデータ通信を可能にします。このため、イーサネットテクノロジーは、ドメインアーキテクチャからゾーンアーキテクチャへの自動車ネットワークの進化を加速しながら、高帯域幅、接続性、堅牢な動作を提供する潜在的な候補となっています。

2016 年に、100BASE-T1 と 1000BASE-T1 という 2 つの規格が自動車業界向けに起草されました。 2022 年の時点で、10BASE-T1 と MGB-T1 という 2 つの追加規格が、ワンペアイーサネットネットワーク (OPEN) アライアンス委員会によって開発中です。 OPEN Alliance には、自動車市場におけるイーサネットベースのテクノロジーの標準化を目的としたいくつかの技術委員会が含まれています。米国電気電子学会 (IEEE) は、IEEE 802.3bw および IEEE 802.3bp 標準で 100BASE-T1 および 1000BASE-T1 をカバーしています。どちらも、主に電磁適合性 (EMC) に関連する特定の自動車要件を満たすために採用されました。

この記事では、100BASE-T1 および 1000BASE-T1 で詳述されている要件に関連して、最新の半導体静電放電 (ESD) 保護デバイスの要件と特性を検討します。 ESD 保護デバイスが残りの回路とどのように相乗して動作し、破壊的な ESD および EMC に対する堅牢なシステムを実現するかを強調します。

イーサネット接続の高い柔軟性は、車載アプリケーションにとって利点です。これは、スタートポロジ、つまり、ADAS、インフォテインメントなどの複数のドメインに接続された中心点としてスイッチを備えたトポロジで使用できます。従来の CAN および FlexRay アプリケーションで使用されてきたバストポロジでも動作します。

一般的なバス構成には、図 1 に示すように複数のイーサネットノードを含めることができます。図 1 は、前方にセンサーがあり、車内にディスプレイを備えた先進運転支援システム (ADAS) を示しています。図 2 に示すように、100BASE-T1 と 1000BASE-T1 の標準化は非シールドツイストペア (UTP) に基づいていることを理解することが重要です。UTP ケーブルは自動車業界で広く使用されているため、一般的で使いやすいです。、そして経済的です。ただし、特に EMC の動作を観察する場合、いくつかの落とし穴があります。

図 1: 最新の車両のイーサネットノードの一般的な構成

図 2: 2 つのイーサネットノードは非シールドツイストペア (UTP) を使用して接続されています

現代の自動車では、単純な空調ユニットから非常に強力な発電機に至るまで、さまざまな電気ユニットすべてが数百メートルのケーブルで接続されています。これらのケーブルは通常、束ねられて配置されるため、ケーブル間の電磁干渉 (EMI) のリスクが高まります。さらなる調査により、最悪のシナリオでは、EMI により UTP に最大 100 V のピーク電圧振幅が誘導される可能性があることが判明しました。安定したデータ転送が必要な通常動作中にこれが発生する可能性があることを考慮すると、イーサネット回路はこれらの EMC 問題に耐えられるほど堅牢である必要があります。

各ノードの回路は、OPEN Alliance によって標準化されたものとして示されています (図 3 を参照)。これには、UTP に結合する不要なコモンモードノイズをフィルタリングするコモンモードチョーク (CMC) が含まれています。さらに、ここではコモンモード終端が役立ちます。 100BASE-T1 および 1000BASE-T1 の CMC のプロパティは、これらの規格の CMC テスト仕様で定義されています1。 CMC は、フィルタリングと EMC 特性に加えて、次のセクションで説明する ESD に関しても非常に役立ちます。

図 3: 100BASE-T1 および 1000BASE-T の回路と ESD デバイスの ESD 性能

ESD 保護デバイスの観点から見ると、考慮すべき非常に興味深い点がいくつかあります。まず、UTP で発生する可能性のある電磁ノイズに基づいて、ESD デバイスは最大 100 V の電圧範囲で作動させるべきではありません。 ESD デバイスのパラメータで言えば、TLP グラフの図 3 に示すように、ESD デバイスは 100V 以上でのみトリガーできます。高性能カメラやディスプレイの物理層 (PHY) のほとんどはそのような高電圧に耐えることができないため、このような高い値は恐ろしく聞こえるかもしれません。この特定の回路構成 (CMC を使用) が PHY に強固な保護を提供することは後で説明します。

2 番目の要件は、最低 1000 回の放電に基づく 15k V ESD 耐性です。この重要かつ独自の要件は、自動車環境におけるイーサネットベースのアプリケーションの堅牢な動作の重要性を示しています。これらすべてを、CAN アプリケーションで見られるものと同様の 24 V 動作電圧と組み合わせると、表 1 に示す一連の特別な要件が生じます。

表 1 の要件に加えて、ESD デバイスは追加のテストにも耐える必要があります (表 2 を参照)。これらのテストは通常、ESD ベンダーによって行われ、ハードウェア設計エンジニアに提供できます。

100BASSE-T1 と 1000BASE-T1 のテストは基本的に同じですが、合格基準が異なります。最初の 2 つのテストは、車載イーサネットアプリケーションにおけるシグナルインテグリティ (SI) の重要性を明確に示しています。ここでは、ESD 保護デバイスによる SI への影響を、挿入損失 (IL)、リターンロス (RL)、およびコモンモード除去比 (CMMR) の観点からテストする必要があります (図 4 を参照)。 3 つのパラメータすべてについて、特定の制限値が「100BASE-T1 および 1000BASE-T1 の ESD 保護の仕様」に示されています。 ESD 放電電流は自動車分野では新しいもので、ESD イベント中に PHY に流れる電流を定量化します。 RF クランプは、100 V 要件をカバーする UTP 上のノイズをシミュレートします。

図 4: 1000BASE-T1 の ESD 保護デバイスの S パラメータの結果 (黄色の制限を含む)

実際のイーサネット設計では、純粋な ESD デバイスのパフォーマンスだけが重要な要素ではありません。 PCB への ESD デバイスの実装は非常に重要です。図 3 ですでに示したように、ESD デバイスはコネクタに配置する必要があります。これにより、ESD パルスがコネクタの位置で直接グランドにクランプされ、CMC、CMT、PHY 自体を含む回路全体が保護されます。図 5 は、配置がいかに重要であるかを視覚的に示しています。

図 5: ESD イベント中のイーサネット回路のフィールドスキャン。赤い色は高い電流密度を強調します。 OA アプローチの場合、ESD デバイスをコネクタの近くに配置すると、PHY の位置での電流密度が最も低くなり、回路全体がシステムに最高の ESD 性能を提供します。

ここで、CMC が PHY の ESD ストレスを軽減していることを理解することが重要です。これは、パルス条件下での CMC の動作を見ると説明されます (図 6 を参照)。

図 6: TLP 測定に基づく、1000BT1 アプリケーションの標準的な CMC の電流および電圧応答。フェーズ I は、TLP からの測定アーティファクトを表します。フェーズ II はブロッキング動作を示します。フェーズ III は、ブロッキングフェーズの終了と CMC の飽和の開始を示します。

ここでは、伝送線路パルス (TLP) 法を使用して、過渡パルス (ESD パルスなど) が CMC に向かうときに、特定の期間 (フェーズ II [フェーズ I のピーク) 電流をブロックする] ことを示します。は測定アーチファクトです])。このブロッキング段階はパルスの電圧レベルに依存します。電圧が高くなるほど、ブロッキング段階は短くなります。ブロッキング段階の後には飽和段階 (段階 III) が続きます。ここで、CMC はパルスによって飽和状態に駆動されるインダクタとして機能します。飽和すると、電流が流れ始め、CMC にかかる電圧が低下します。

これは興味深い結果であり、ESD パルスが 100BASE-T1 または 1000BASE-T1 回路に近づくと、CMC が最初の数ナノ秒間電流をブロックすることを示しています。同時に、ESD 保護デバイスの両端の電圧も増加します。トリガレベルが約 140 V に達すると (図 3 を参照)、ESD デバイスは ESD パルスをグランドにクランプします。回路上の全体の電圧は、30 ～ 40 V の範囲にある ESD デバイスのクランプ電圧まで低下します (図 3 の TLP プロットを参照)。

この発見は、高トリガー ESD 保護デバイスと CMC の組み合わせが、ESD イベント中にどのように相乗効果を発揮するかを示しています。インダクタンスが約 100µH の範囲にある CMC のみが十分なブロッキング動作を示すことに注意してください。いずれにせよ、これは CMC 仕様でカバーされています。

通常、ESD 保護デバイスはさまざまなパッケージで入手できます。広く使用されているのは、一般的で確立された車載用パッケージである SOT23 です。代替のリードレスパッケージは SOD882BD です。パッケージとの間の差動ラインの配線にはいくつかのオプションがあり (図 7 を参照)、そのランク付けを表 3 に示します。

図 7: SOT23 および SOD882BD の配線オプション

表 3: ESD および SL に関するさまざまな配線オプションのランキング

一般に、ESD パッケージを配線する場合は、切り欠きや曲がりを避けて真っ直ぐに配線する必要があります。特に ESD の場合、SOT23 [A] および [C] および DFN1006BD (SOD882BD) [A] と同様に、差動ラインの配線は ESD デバイスのパッドを越える必要があります。 SI の目的では、スタブを回避する必要があり、さらに差動ラインのインピーダンスを 100Ω に保つ必要があります。これは、行を分離したままにすることで実現できます。 SOT23 の場合、最適なオプションは B と C で、DFN1006BD の場合はオプション A です。したがって、全体として、SOT23 の場合はオプション C を使用し、DFN1006BD の場合はオプション A を使用することをお勧めします。

原則として、最高の信号整合性を達成するために、不必要なレイヤー変更を避けるようにしてください。これは常に SI と EMC に影響を与えます。層の変更が避けられない場合は、信号を ESD デバイスのパッド上に配線します (図 8 の左と右を参照)。スタブを介した配線は避けてください (図 8、中央を参照)。

この記事では、回路全体に対するいくつかの固有の要件と、1000BASE-T1 および 1000BASE-T1 アプリケーションの ESD 保護について説明します。 ESD 保護デバイスと CMC のブロック機能の相乗効果により、EMC ノイズと ESD に対して非常に堅牢なイーサネットシステムが構築されることがわかります。 EMI スキャナを使用すると、コネクタに直接 ESD 保護を配置することの重要性が強調されます。

10BASE-T1S は、OPEN Alliance 委員会内で現在議論されている追加の標準であることに注意してください。 UTP および CMC を含むこのプロトコルのトポロジー全体は 1000BASE-T1 および 1000BASE-T1 と非常に似ているため、高トリガー電圧の要件も同じであると予想されます。

アンドレアス・ハードック自動車ESDイーサネット標準テスト

Andreas Hardock は、Nexperia のアプリケーションマーケティングマネージャーで、自動車分野に影響を与える ESD および EMC 問題に重点を置いています。ハードックはヴュルツブルクのユリウス・マクシミリアン大学でナノ構造技術を学び、博士号を取得しました。ハンブルク・ハールブルク工科大学で機能ビアの分野で博士号を取得。

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