Ethernet ESD-Schutz für Automotive Ethernet

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Im Artikel werden die Schutzanforderungen für Ethernet-Netzwerke in Fahrzeugen (100BASE-T1, 1000BASE-T1 oder 10BASE-T1S) erörtert und Optionen für das Platinenlayout vorgestellt, um die Störfestigkeit gegen ESD und EMI zu erhöhen und die Signalintegrität zu optimieren.

Ethernet wird seit vielen Jahrzehnten in der industriellen Fertigung und in Computernetzwerken eingesetzt. Heutzutage kommt es verstärkt in Fahrzeugen zum Einsatz und ersetzt teilweise klassische Netzwerke wie das Controller Area Network (CAN). Automotive Ethernet bietet die Topologieflexibilität, die hohe Bandbreite und die störfeste Kommunikation, die für die Datenkommunikation im Fahrzeug erforderlich sind, da die Originalgerätehersteller zunehmend von Domänen- auf zonale Netzwerkarchitekturen umsteigen.

Dieser Artikel behandelt zunächst die verschiedenen Automotive-Ethernet-Normen und -Standards, bevor auf die strengen Normen zum Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) und zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) eingegangen wird, denen sie genügen müssen. Abschließend werden einige Bauelemente vorgestellt, mit denen Automobil-OEMs sicherstellen können, dass die Fahrzeugnetzwerke vollständig ESD-geschützt sind.

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Normen und Standards für das Automotive Ethernet

Im Jahr 2016 wurden von den Ausschüssen der One Pair Ethernet Network (OPEN) Alliance die Automotive-Ethernet-Systeme 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 entwickelt (und anschließend von der IEEE standardisiert), um die spezifischen Erfordernisse von Automobilanwendungen zu erfüllen, vor allem im Hinblick auf elektromagnetische Störungen (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Die Entwicklung von 10BASE-T1S begann dann im Jahr 2020. Dieses System ermöglicht Multi-Drop-Bus-Topologien, wodurch es sich ideal für zonale Fahrzeugarchitekturen eignet. Eine Multi-Gigabit-Version (MGBASE-T1) des Automotive Ethernet befindet sich derzeit ebenfalls in der Entwicklung. Die Spezifikationen für jeden dieser Standards sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Schutz von Automotive-Ethernet-Netzwerken

Im Gegensatz zu Ethernet für Computernetzwerke verwenden die Automotive-Ethernet-Standards 10Base-T1s, 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 ein ungeschirmtes Single-Twisted-Pair-Kabel (UTP) zur Verbindung von Physical-Layer-Schnittstellen (PHY), wie in Bild 1 dargestellt. UTP-Kabel sind kleiner, leichter, aber vor allem kostengünstiger und einfacher zu verwenden – alles wichtige Anforderungen für Automobil-OEMs. Ihre Konstruktion bringt jedoch zusätzliche Herausforderungen für den Schutz vor elektromagnetischen Störungen mit sich.

In modernen Fahrzeugen verbinden Hunderte Meter Kabel mehrere elektronische Steuergeräte (ECUs), die verschiedene Funktionen regeln. Die einzelnen Kabel werden zu Kabelbäumen gebündelt, was die Wahrscheinlichkeit von EMI-Problemen deutlich erhöht. Im ungünstigsten Fall können die EMI-Spannungsamplituden in UTP-Kabeln bis zu 100 V erreichen. Um diesen Spitzen standzuhalten, müssen Ethernet-Netzwerke daher ausreichend störfest sein.

Bild 2 zeigt die von der OPEN Alliance spezifizierten Schutzschaltungen für jeden Knoten in einem Automotive-Ethernet-Netzwerk. Dazu gehört eine Gleichtaktdrossel (CMC), um unerwünschte, in die Kabel eingekoppelte, Störströme zu filtern und gleichzeitig vor den potenziell schädlichen Auswirkungen von ESD zu schützen.

Die wichtigste Anforderung an ein ESD-Schutzelement besteht darin, dass es bei Spannungen bis 100 V nicht aktiviert wird, gleichzeig aber im ESD-Fall einen ESD-Schutz von mindestens 15 kV (für mindestens 1.000 Entladungen) bietet. Die OPEN Alliance empfiehlt außerdem eine Reihe zusätzlicher Prüfungen, die dediziert für den externen ESD-Schutz gelten.

Diese ähneln sich zwar für 10BASE-T1s, 100BASE-T1 und 1000BASE-T1, haben aber etwas unterschiedliche Kriterien. Zwei dieser Tests messen den Einfluss eines ESD-Schutzelementes auf die Signalintegrität (SI) und die Einfügedämpfung (IL), die Reflexion (RL) und die Gleichtaktunterdrückung (CMRR). Eine ESD-Prüfung quantifiziert den Strom, der während einer elektrostatischen Entladung in einen PHY fließt, während eine HF-Klemmenprüfung sicherstellen soll, dass ein Knoten eine EMV-Festigkeit bis zu 100 V aufweist.

In der Praxis der Automobiltechnik sind die Platzierung und Anordnung des ESD-Schutzes entscheidend. Wie der Feldscan in Bild 3 zeigt, sollte sich dieser am Anschluss befinden, um sicherzustellen, dass der ESD-Impuls direkt am Anschluss an Masse geklemmt wird, um maximalen Schutz für alle Netzwerkschaltungen, einschließlich Gleichtaktdrossel und PHY, zu bieten.

Die Gleichtaktdrossel dämpft die Belastung der PHY durch ESD bei Pulsen zusätzlich. Wenn eine Transiente auf die Gleichtaktdrossel trifft, sperrt sie den Strom für eine gewisse Zeit. Diese hängt von der Spannung des Impulses ab – je höher die Spannung, desto kürzer die Sperrphase. Auf die Sperrphase folgt eine Sättigungsphase, in der sich die Gleichtaktdrossel wie ein Induktor auf dem Weg zur Sättigung verhält. Nach der Sättigung fließt der Strom und die Spannung in der Gleichtaktdrossel beginnt zu fallen.

Das Routing von ESD-Schutzelementen sollte immer gerade erfolgen, Stichleitungen oder Bögen sind zu vermeiden und Leiterbahnen für Differenzsignale sollten über das Pad des ESD-Elements verlaufen. Um die Signalintegrität zu gewährleisten, sollten Stichleitungen vermieden werden. Die Impedanz der differenziellen Leitungen sollte 100 Ω betragen. Die von Nexperia empfohlenen Routing-Optionen sind in Bild 4 für zwei verschiedene Gehäusetypen dargestellt (SOT23 und DFN1006BD).

ESD-Schutzelemente für Automotive Ethernet

Nexperia bietet eine große Auswahl an ESD-Schutzelementen für Automotive-Ethernet-Netzwerke. Die Bauelemente der PESD2ETH-Reihe sind vollständig konform mit OPEN Alliance 100BASE-T1- und 1000Base-T1 und werden in einem kleinen, oberflächenmontierten SOT23-Kunststoffgehäuse geliefert, das zwei fahrzeuginterne Bus-Leitungen vor Schäden durch ESD und andere transiente Ereignisse schützt. Die PESD1ETH1G-Elemente entsprechen OPEN Alliance IEEE 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 und werden in einem kleinen oberflächenmontierten Kunststoffgehäuse DFN1006BD-2 (SOD882BD) geliefert.

Nexperia bietet ebenfalls robuste und OPEN Alliance 10BASE-T1S-konforme Bauelemente an. Diese verfügen über eine Triggerspannung (U_t) von mehr als 100 V und eine geringe Kapazität (< 0,5 pF), um eine reibungslose Datenübertragung und eine gute Signalintegrität für bis zu 50 Knoten zu ermöglichen. Alle Bauelemente im SOT23-Gehäuse haben eine Kapazitätsanpassungs-Spezifikation von zwei Prozent (Maximum).

Fazit: In dem Artikel wurden die Schutzanforderungen für Ethernet-Netzwerke in Fahrzeugen erörtert und Optionen für das Platinenlayout vorgestellt, um die Störfestigkeit gegen ESD und EMI zu erhöhen und die Signalintegrität zu optimieren. Unabhängig davon, ob sie 100BASE-T, 1000BASE-T oder 10BASE-T1S implementieren, können sich Automobil-OEMs darauf verlassen, dass Schutzelemente von Nexperia über die Spezifikationen und Formfaktoren verfügen, die sie für ihre fahrzeuginternen Netzwerke benötigen. (kr)

* Dr. Andreas Hardock ist Principal Product Application Engineer for ESD and EMC bei Nexperia.

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