Protezione ESD ad alta tensione per applicazioni Ethernet automobilistiche

Le soluzioni Ethernet sono popolari nelle applicazioni industriali e informatiche da diversi decenni, ma non sono state ampiamente adottate nel settore automobilistico. Automotive Ethernet consente una comunicazione dati veloce e robusta, con elevata flessibilità nelle topologie bus per più unità di controllo elettronico (ECU). Ciò rende le tecnologie Ethernet un potenziale candidato per fornire elevata larghezza di banda, connettività e funzionamento robusto, accelerando al tempo stesso l’evoluzione delle reti automobilistiche dall’architettura di dominio a quella di zona.

Nel 2016 sono stati elaborati due standard, 100BASE-T1 e 1000BASE-T1, per l’industria automobilistica. A partire dal 2022 due standard aggiuntivi, vale a dire 10BASE-T1 e MGB-T1, sono in fase di sviluppo da parte dei comitati One Pair Ethernet Network (OPEN) Alliance. OPEN Alliance comprende diversi comitati tecnici per la standardizzazione delle tecnologie basate su Ethernet nel mercato automobilistico. L'Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) copre 100BASE-T1 e 1000BASE-T1 con gli standard IEEE 802.3bw e IEEE 802.3bp. Entrambi sono stati adottati per soddisfare specifici requisiti automobilistici, principalmente legati alla compatibilità elettromagnetica (EMC).

Questo articolo esaminerà i requisiti e le proprietà dei moderni dispositivi di protezione dalle scariche elettrostatiche (ESD) dei semiconduttori in relazione ai requisiti dettagliati in 100BASE-T1 e 1000BASE-T1. Evidenzieremo come i dispositivi di protezione ESD agiscono in sinergia con il resto dei circuiti, creando un sistema robusto contro ESD ed EMC distruttivi.

L'elevata flessibilità delle connessioni Ethernet è un vantaggio per le applicazioni automobilistiche. Può essere utilizzato in una topologia a stella, ovvero avendo uno switch come punto centrale collegato a più domini, ad esempio ADAS, Infotainment o altro. Funziona anche in una topologia bus come quella utilizzata nelle tradizionali applicazioni CAN e FlexRay.

Una tipica configurazione di bus può includere più nodi Ethernet, come mostrato nella Figura 1, che mostra sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) con sensori nella parte anteriore e display all'interno dell'auto. È fondamentale comprendere che la standardizzazione di 100BASE-T1 e 1000BASE-T1 si basa su un doppino intrecciato non schermato (UTP) come mostrato nella Figura 2. I cavi UTP sono ampiamente utilizzati nell'industria automobilistica e quindi sono comuni, facili da usare , ed economico. Tuttavia presentano alcune insidie, soprattutto se si considera il comportamento EMC.

Figura 1: configurazione tipica dei nodi Ethernet in un veicolo moderno

Figura 2: Due nodi Ethernet sono collegati tramite un doppino intrecciato non schermato (UTP)

In un'auto moderna, centinaia di metri di cavi collegano tutte le diverse unità elettriche, da una semplice unità di climatizzazione a un generatore molto potente. Questi cavi sono generalmente raggruppati in fasci che aumentano il rischio di interferenze elettromagnetiche (EMI) tra di loro. Ulteriori indagini hanno dimostrato che, negli scenari peggiori, l'EMI può portare ad ampiezze di tensione di picco indotte fino a 100 V nell'UTP. Considerando che ciò può accadere durante il normale funzionamento quando è richiesto un trasferimento dati stabile, i circuiti Ethernet dovrebbero essere sufficientemente robusti da resistere a tali problemi EMC.

Il circuito di ciascun nodo viene mostrato come standardizzato da OPEN Alliance (vedere Figura 3). Include un'induttanza di modo comune (CMC) che filtra il rumore di modo comune indesiderato che si accoppia nell'UTP. Inoltre, la terminazione in modalità comune è utile in questo caso. Le proprietà del CMC per 100BASE-T1 e 1000BASE-T1 sono definite nelle Specifiche di test CMC per questi standard1. Oltre alle proprietà di filtraggio e EMC, la CMC è molto utile anche per quanto riguarda le scariche elettrostatiche, di cui parleremo nella prossima sezione.

Figura 3: Circuiti di 100BASE-T1 e 1000BASE-T e prestazioni ESD del dispositivo ESD

Dal punto di vista del dispositivo di protezione ESD ci sono diversi punti molto interessanti da considerare. Innanzitutto, a causa del possibile rumore elettromagnetico sull'UTP, il dispositivo ESD non dovrebbe essere attivato in un intervallo di tensione fino a 100 V. Parlando dei parametri del dispositivo ESD, il dispositivo ESD può attivarsi solo al di sopra di 100 V, come mostrato nella Figura 3 nel grafico TLP. Un valore così elevato può sembrare spaventoso poiché la maggior parte dello strato fisico (PHY) per fotocamere e display ad alte prestazioni non può sostenere tensioni così elevate. Vedremo più avanti che questa specifica configurazione del circuito (con il CMC) fornisce una solida protezione per il PHY.