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。