Protection ESD haute tension pour les applications Ethernet automobiles

Les solutions Ethernet sont populaires dans les applications industrielles et informatiques depuis plusieurs décennies, mais n'ont pas été largement adoptées dans le secteur automobile. Automotive Ethernet permet une communication de données rapide et robuste, avec une grande flexibilité dans les topologies de bus pour plusieurs unités de commande électroniques (ECU). Cela fait des technologies Ethernet un candidat potentiel pour fournir une bande passante élevée, une connectivité et un fonctionnement robuste tout en accélérant l'évolution des réseaux automobiles d'une architecture de domaine à une architecture zonale.

En 2016, deux normes, 100BASE-T1 et 1000BASE-T1, ont été rédigées pour l'industrie automobile. Depuis 2022, deux normes supplémentaires, à savoir 10BASE-T1 et MGB-T1, sont en cours de développement par les comités de l'Alliance One Pair Ethernet Network (OPEN). OPEN Alliance comprend plusieurs comités techniques pour la normalisation des technologies basées sur Ethernet sur le marché automobile. L'Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) couvre 100BASE-T1 et 1000BASE-T1 avec les normes IEEE 802.3bw et IEEE 802.3bp. Les deux ont été adoptés pour répondre à des exigences automobiles spécifiques, principalement liées à la compatibilité électromagnétique (CEM).

Cet article examinera les exigences et les propriétés des dispositifs modernes de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) à semi-conducteurs en relation avec les exigences détaillées dans 100BASE-T1 et 1000BASE-T1. Nous soulignerons comment les dispositifs de protection ESD agissent en synergie avec le reste des circuits, ce qui donne lieu à un système robuste contre les ESD et EMC destructeurs.

La grande flexibilité des connexions Ethernet constitue un avantage pour les applications automobiles. Il peut être utilisé dans une topologie en étoile, c'est-à-dire avoir un switch comme point central connecté à plusieurs domaines, par exemple ADAS, Infotainment ou autre. Il fonctionne également dans une topologie de bus comme celle utilisée dans les applications CAN et FlexRay traditionnelles.

Une configuration de bus typique peut inclure plusieurs nœuds Ethernet, comme le montre la figure 1, qui montre des systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) avec des capteurs à l'avant et des écrans à l'intérieur de la voiture. Il est crucial de comprendre que la normalisation des 100BASE-T1 et 1000BASE-T1 est basée sur une paire torsadée non blindée (UTP), comme le montre la figure 2. Les câbles UTP sont largement utilisés dans l'industrie automobile et sont donc courants et faciles à utiliser. , et économique. Cependant, ils présentent certains pièges, notamment en ce qui concerne le comportement CEM.

Figure 1 : Configuration typique des nœuds Ethernet dans un véhicule moderne

Figure 2 : Deux nœuds Ethernet sont connectés à l'aide d'une paire torsadée non blindée (UTP)

Dans une voiture moderne, des centaines de mètres de câbles relient toutes les différentes unités électriques – depuis une simple unité de climatisation jusqu’à un générateur très puissant. Ces câbles sont généralement regroupés en faisceaux, ce qui augmente le risque d'interférences électromagnétiques (EMI) entre eux. Des investigations plus approfondies ont montré que, dans les pires scénarios, les interférences électromagnétiques peuvent conduire à des amplitudes de tension de crête induites allant jusqu'à 100 V dans l'UTP. Étant donné que cela peut se produire en fonctionnement normal lorsqu'un transfert de données stable est requis, les circuits Ethernet doivent être suffisamment robustes pour résister à ces problèmes de CEM.

Les circuits de chaque nœud sont présentés comme normalisés par l'OPEN Alliance (voir Figure 3). Il comprend une self de mode commun (CMC) qui filtre le bruit de mode commun indésirable qui se couple dans l'UTP. De plus, la terminaison en mode commun est utile ici. Les propriétés du CMC pour 100BASE-T1 et 1000BASE-T1 sont définies dans les spécifications de test CMC de ces normes1. En plus de ses propriétés de filtrage et de CEM, la CMC est également très utile en matière d'ESD, ce que nous aborderons dans la section suivante.

Figure 3 : Circuits des 100BASE-T1 et 1000BASE-T et performances ESD du périphérique ESD

Du point de vue du dispositif de protection ESD, il y a plusieurs points très intéressants à considérer. Premièrement, en raison du bruit électromagnétique possible sur l'UTP, le dispositif ESD ne doit pas être activé dans une plage de tension allant jusqu'à 100 V. En ce qui concerne les paramètres du dispositif ESD, le dispositif ESD est autorisé à se déclencher uniquement au-dessus de 100 V, comme le montre la figure 3 du graphique TLP. Une valeur aussi élevée peut sembler effrayante, car la plupart de la couche physique (PHY) des caméras et écrans hautes performances ne peut pas supporter des tensions aussi élevées. Nous verrons plus tard que cette configuration spécifique du circuit (avec le CMC) assure une solide protection du PHY.