Proteção ESD de alta tensão para aplicações Ethernet automotivas

As soluções Ethernet são populares em aplicações industriais e de computação há várias décadas, mas não foram amplamente adotadas na área automotiva. A Ethernet automotiva permite comunicação de dados rápida e robusta, com alta flexibilidade em topologias de barramento para múltiplas unidades de controle eletrônico (ECUs). Isso torna as tecnologias Ethernet um candidato em potencial para fornecer alta largura de banda, conectividade e operação robusta, ao mesmo tempo em que acelera a evolução das redes automotivas de domínio para arquitetura zonal.

Em 2016, dois padrões, 100BASE-T1 e 1000BASE-T1, foram elaborados para a indústria automotiva. A partir de 2022, dois padrões adicionais, ou seja, 10BASE-T1s e MGB-T1, estão em desenvolvimento pelos comitês da One Pair Ethernet Network (OPEN) Alliance. A OPEN Alliance inclui vários comitês técnicos para a padronização de tecnologias baseadas em Ethernet no mercado automotivo. O Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) cobre 100BASE-T1 e 1000BASE-T1 com os padrões IEEE 802.3bw e IEEE 802.3bp. Ambos foram adotados para atender a requisitos automotivos específicos, principalmente relacionados à compatibilidade eletromagnética (EMC).

Este artigo examinará os requisitos e propriedades dos modernos dispositivos de proteção contra descarga eletrostática (ESD) de semicondutores em conexão com os requisitos detalhados em 100BASE-T1 e 1000BASE-T1. Destacaremos como os dispositivos de proteção ESD atuam em sinergia com o restante do circuito, resultando em um sistema robusto contra ESD e EMC destrutivos.

A alta flexibilidade das conexões Ethernet é uma vantagem para aplicações automotivas. Pode ser utilizado em topologia em estrela, ou seja, tendo como ponto central um switch conectado a diversos domínios, por exemplo, ADAS, Infotainment, ou outros. Ele também funciona em uma topologia de barramento, como tem sido usado em aplicações tradicionais de CAN e FlexRay.

Uma configuração típica de barramento pode incluir vários nós Ethernet, conforme mostrado na Figura 1, que mostra sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) com sensores na frente e visores no interior do carro. É fundamental entender que a padronização de 100BASE-T1 e 1000BASE-T1 é baseada em um par trançado não blindado (UTP) conforme mostrado na Figura 2. Os cabos UTP são amplamente utilizados na indústria automotiva e, portanto, são comuns, fáceis de usar , e econômico. No entanto, eles têm algumas armadilhas, especialmente ao observar o comportamento da EMC.

Figura 1: Configuração típica de nós Ethernet em um veículo moderno

Figura 2: Dois nós Ethernet são conectados usando um par trançado não blindado (UTP)

Em um carro moderno, centenas de metros de cabos conectam todas as diferentes unidades elétricas – desde uma simples unidade de controle climático até um gerador muito potente. Esses cabos são normalmente colocados em feixes, o que aumenta o risco de interferência eletromagnética (EMI) entre eles. Investigações posteriores mostraram que, nos piores cenários, a EMI pode levar a amplitudes de tensão de pico induzidas de até 100 V no UTP. Considerando que isso pode acontecer durante a operação normal quando a transferência de dados estável é necessária, o circuito Ethernet deve ser robusto o suficiente para suportar esses problemas de EMC.

O circuito de cada nó é mostrado conforme padronizado pela OPEN Alliance (consulte a Figura 3). Ele inclui um bloqueador de modo comum (CMC) que filtra o ruído de modo comum indesejado que acopla no UTP. Além disso, a terminação do modo comum é útil aqui. As propriedades do CMC para 100BASE-T1 e 1000BASE-T1 são definidas nas especificações de teste CMC para esses padrões1. Além de suas propriedades de filtragem e EMC, o CMC também é muito útil quando se trata de ESD, que abordaremos na próxima seção.

Figura 3: Circuito do 100BASE-T1 e 1000BASE-T e o desempenho ESD do dispositivo ESD

Do ponto de vista do dispositivo de proteção ESD, há vários pontos muito interessantes a serem considerados. Primeiro, com base no possível ruído eletromagnético no UTP, o dispositivo ESD não deve ser ativado em uma faixa de tensão de até 100V. Falando nos parâmetros do dispositivo ESD, o dispositivo ESD pode disparar apenas acima de 100 V, conforme mostrado na Figura 3 no gráfico TLP. Um valor tão alto pode parecer assustador, pois a maior parte da camada física (PHY) para câmeras e monitores de alto desempenho não pode suportar tensões tão altas. Veremos mais adiante que esta configuração específica do circuito (com o CMC) fornece proteção sólida para o PHY.