本应用笔记介绍适用于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的现代半导体 ESD 保护器件的特性。ESD 保护器件的作用是实现稳健的系统，使系统能够承受破坏性的 ESD 事件并提供更高的EMC性能。本文提供了使用共模扼流圈（CMC）来增强这种耐受性的建议。

　　目前有几种以太网解决方案在工业和商业应用中非常流行，但几十年来，并没有在汽车领域得到广泛采用。到 2016 年，汽车行业推出了 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 两个标准。另外两个标准 10BASE-T1S 和 MGB-T1（千兆级）正在开发中。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 由电气与电子工程师协会（IEEE）发布，并包含在IEEE 802.3bw和IEEE 802.3bp中。虽然这两个标准基于工业和商业以太网应用，但针对一些特定的汽车要求进行了修订，这类要求主要与电磁兼容性（EMC）有关[1]。这些修订由开放技术联盟委员会完成。

　　汽车以太网可实现快速稳定的数据通信，能够为多个电子控制单元（ECU）总线拓扑赋予灵活性，非常有望满足未来的实时数据共享、带宽和稳定工作需求。这些特性有助于加速汽车网络架构从域架构向区域架构的演进。汽车以太网可以与其他几种协议配对使用，例如音频和视频（AVB），因此，更有机会在 ADAS、X-Domain 和其他复杂系统中使用。

　　本应用笔记将介绍适用于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的现代半导体 ESD 保护器件的特性。本文将展示 ESD 保护器件如何在电路中发挥协同作用，从而让系统能够耐受破坏性的 ESD 事件并具有更出色的EMC性能。此外，本文还将针对使用共模扼流圈（CMC）来增强这种耐受性提供建议。

　　汽车以太网用法灵活，并能显著提高数据速率（与传统的 CAN HS/FD 相比），因此能够桥接各种复杂的通信域，如图1所示。这一特性进一步强化汽车以太网在未来车载数据通信架构中的作用，而在未来，ADAS、信息娱乐系统和动力系统等关键应用将在汽车领域内显著增长。

　　ECU通常使用非屏蔽双绞线（UTP）相互连接，就像在 CAN 或 FlexRay 应用中一样（图2）。

　　这种做法有一些好处，例如使用简单、成本低。但是，应该考虑到非屏蔽电缆可能会出现电磁噪声耦合方面的问题。在真实的汽车线束中，不同的电缆会组合成一束电缆，因此它们之间存在一定的干扰风险。具体而言，在典型总线拓扑的 UTP 内，感应电气噪声可达到 100 V，这已经得到几个测试中心的证实。在这种情况下，ESD 保护器件不能触发，以避免发生通信故障和链路丢失。这就提出了一项新的要求，即 ESD 保护器件的触发电压要高于 100 V。

　　左侧的收发器模块包含物理层接口（PHY）以及一些基本的滤波元件和片上 ESD 保护。下一个必须具有的模块是带有共模终端的共模扼流圈（CMC），用于减少不需要的共模，从而减少 EMI。ESD 器件位于连接器附近，它可以在一个封装（如SOT23）中包含两个 ESD 保护二极管，或者在 DFN1006BD 封装中为每条单独的线路包含两个 ESD 二极管。在其他类似的原理图中，ESD 保护器件放在 CMC 和 PHY 之间。

　　注：强烈建议将 ESD 保护器件直接置于连接器上。在此位置，ESD 电流会被钳位至 GND，因此不会影响 PCB、以太网 PHY 或其他元件，如图 4 所示。此外，根据100/1000MBase-T1 规范的要求，触发电压超过 100 V 的 ESD 保护器件置于连接器上、CMC 前面时，可以发挥更显著的保护作用。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 之间的主要区别在于带宽（分别为 66 Mbps 和 750 Mbps）。因此，它们对信号完整性（SI）有一些不同的要求，具体会体现在一些电路的选择上。相较于 1000BASE-T1，在 100BASE-T1 中，ESD 保护器件的器件电容可以略高一些。此外，CMC应遵循开放技术联盟（OA）关于 100BASE-T1、1000BASE-T1 和千兆级应用的规定。本应用笔记后面将提供更多相关信息。

　　由于 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 拓扑结构和电路几乎相同，因此它们对所用 ESD 保护器件的要求非常相似。ESD 器件必须遵循 ESD 保护器件的OA规范（汽车以太网规范（）。以下是一些主要要求：

　　在上述测量中，我们对 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 使用相同的设置，但是“通过”和“未通过”条件定义存在略有不同的限制，尤其是带宽差异等原因引起的散射参数。具体限制参见相应规范的附录。

　　散射参数测量的理念是在频域中观察 ESD 保护器件的 SI 行为，即插入损耗（IL）、回波损耗（RL）和共模抑制比（CMRR）。作为混合模式散射参数矩阵中的矩阵元素，这些参数分别称为Sdd21、Sdd11和Sdc21。索引“dd”指的是差分，“dc”指的是差模共模。

　　• IL 是指 ESD 保护器件随频率传输的信号部分。传输的信号越多越好。简而言之，IL表示通过 ESD 器件传输的信号量。可以将其看作是一个以阻抗为重点的传递函数。“通过”条件是保持在规范中定义的限制之上。

　　• RL 表示 ESD 保护器件随频率变化而反射的信号部分。反射的信号越少越好。标准化委员会也对此定义了限制。“通过”条件是保持在限制以下。

　　• CMRR 表示随频率变化从差模转换为共模的信号部分。这种模式转换是由网络中的不对称引起的，在差分信号中应尽量减少。

　　图5显示了一些散射参数示例。100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的数据速率和带宽决定了二者的所有散射参数限制都不相同。

　　该测试的重点是评估 ESD 对 SI 的影响。因此，基本上测量的散射参数与前文相同，但测量是在 8 kV 和 15 kV 条件下，在每个极性 20 个脉冲前后完成的。目标规范是，在 ESD 应力脉冲后，ESD 器件在 1 MHz 至 200 MHz 的频率范围内的偏差不允许超过 1 dB。图6 显示其中一个 ESD 器件的 Sdd11 结果。

　　在 ESD 事件期间，ESD 保护器件将大部分 ESD 脉冲钳位到地。然而，在实际应用中，总有一部分脉冲会越过 ESD 保护进入 PHY。该残余电流是评估 ESD 器件保护能力的重要参数。对于开放技术联盟以太网 100/ 1000BASE-T1，该残余电流是使用标准化设置测量的。设置参见图 7。包括 CMC和 ESD 保护在内的整个电路都包含在该设置中。PHY 的特性用一个 2 Ω 电阻器进行了简化。

　　两个极性的测量都在最高 15 kV 的电压下进行的。“通过”条件限制来自于 2 kV 和 4 kV 模型(HBM)。

　　系统 ESD 性能的系统预测并不简单。独立收发器和无源元件（包括外部 ESD 保护器件）的 ESD 耐受性水平不能代表总体系统 ESD 耐受性水平。

　　因此，必须仔细考虑所有集成元件之间的交互。这里要特别注意外部 ESD 保护、CMC 以及 IC PHY 收发器引脚的片上 ESD 保护特性的合理适配。请注意，这些元件表现出强烈的非线性高电流行为。

　　系统高效 ESD 设计（SEED）方法允许仿真整个系统中与 ESD 相关的瞬态高电压、高电流行为。在这里，需要使用行为模型和等效电路对各个元素进行精确建模。完整的仿真环境还包括 ESD 脉冲发生器模型。通过这种综合仿真方法，可以预测流经系统不同部分的残余 ESD 应力电流以及不同系统节点的电压。

　　通过评估 IC PHY 收发器数据引脚违反关键准静态和动态 IV 限制的情况，可以确定系统级 ESD 耐受性。图 10 显示了系统模型的 100/1000BASE-T1 电路，以及根据 IEC 61000-4-2 使用 4 kV ESD 脉冲对进入 IC 的残余电流进行系统级测量和仿真的比较。

　　一般而言，测量结果与仿真结果非常吻合。仿真准确捕获了流入 IC 的电流脉冲的主要特性，相对于 ICCDM 限制属于过冲，而相对于 IC HBM 限制属于稳态行为。

　　有关为汽车以太网电路设置瞬态系统级 SEED 仿真的更多信息，以及有关 CMC 和 ESD 发生器上带回弹的高压 ESD 保护的建模详情，请参阅 Nexperia 《运用SEED设计方法，根据开放技术联盟 100BASE-T1 规范高效预测 ESD 放电电流》[4]以及Nexperia汽车 ESD 手册[5]。