Le reti locali (LAN) sono il futuro della comunicazione dati di bordo, ma il loro utilizzo richiede alcune accortezze, tra cui l’adozione di adeguate protezioni ESD
Per ragioni legate alla consistenza dei flussi dati che devono essere scambiati, in special modo quelli attinenti alle soluzioni di guida autonoma e assistenza avanzata alla guida (ADAS) nelle automobili si va sempre più affermando l’impiego di vere e proprie reti come la Ethernet, declinata in versioni adattate all’automotive come la 100BASE-T1. Per quanto sia comodo interconnettere le varie ECU di bordo con una LAN, bisogna affrontare alcuni problemi insiti nella loro natura, che è quella di link ad alta velocità destinati alle comunicazioni in ambienti stabili e civili come gli uffici, dove non ci sono disturbi e scariche elettriche tipici, invece, di ciò che funziona sull’impianto elettrico di un’automobile e che deriva dall’inserzione e disinserzione di utilizzatori elettrici energivori, non ultimi i sistemi ad alta tensione delle più recenti EV, capaci di lavorare a 400 e 800 V. Ecco perché accanto allo sviluppo di nuovi protocolli e sub-protocolli di rete necessari soprattutto alle funzionalità di guida autonoma e semi-autonoma, frenata di emergenza automatica, avviso di abbandono della corsia, sistemi Omni-View infotainment, si cercano soluzioni per proteggere le linee dati e fornire una comunicazione intelleggibile.
Il ruolo dell’ethernet nell’auto del futuro
La larghezza di banda supportata da protocolli come CAN (Controller Area Network) e LIN (Local Interconnect Network) è ormai divenuta inadeguata a gestire il crescente flusso di dati dei veicoli moderni; al contrario, l’Ethernet offre larghezza di banda più elevata e integra funzionalità richieste dalle applicazioni automobilistiche, combinando reti time-sensitive con specifiche di rete standard. Garantire comunicazioni Ethernet affidabili ad alta velocità a bordo di un’automobile implica tuttavia l’adozione di protezione contro il sovraccarico elettrico (EOS) la cui causa primaria sono le scariche elettrostatiche (ESD) pertanto è indispensabile proteggere i componenti elettronici dalle minacce ESD rispettando al contempo rigorosi standard di sicurezza e affidabilità automotive, tra i quali le specifiche di OPEN (One Pair EtherNet) Alliance, un consorzio di industrie che promuove l’adozione delle reti Ethernet nelle applicazioni automobilistiche.
Prima di entrare nel merito della protezione, è opportuna una carrellata sulle varianti di Ethernet utilizzate in automobile, basate su doppino intrecciato a due fili (2-wire twisted-pair).
100BASE-T1
Oltre un decennio fa, uno studio condotto da Broadcom ha dimostrato l’utilizzo di una Ethernet che impiega un singolo doppino intrecciato, definendo un nuovo protocollo di comunicazione denominato BroadR-ReachTM, capace di superare i limiti di data-rate dei protocolli esistenti (CAN e Flexray) e ha supportato senza problemi applicazioni ad elevata larghezza di banda in un ambiente difficile e soggetto a rumori come quello automotive. BroadR-ReachTM è stato da allora rivisto e denominato 100BASE-T1, definendolo come standard IEEE 802.3bw.
La Ethernet 100BASE-T1 impiega un singolo cavo a doppino intrecciato non schermato per trasmettere e ricevere dati (full-duplex) su distanze di comunicazione fino a 15 metri. Ciò semplifica l'interfaccia in un singolo doppino intrecciato con applicabilità universale, riducendo significativamente il numero di cavi e il peso del cablaggio. Il funzionamento della comunicazione full-duplex lungo un doppino intrecciato a due fili è illustrato nella Figura 1.
L'OPEN Alliance Special Interest Group (SIG) ha stabilito come livello fisico standard del settore il BroadR-Reach, consentendone l’adozione diffusa per la connettività Ethernet automotive. BroadR-Reach, che in seguito è passato allo standard IEEE 100BASE-T1 sotto la guida di OPEN Alliance, ha segnato l’ingresso del protocollo nelle applicazioni automobilistiche con una velocità di 100 Mbit/secondo. Questa velocità dei dati ha notevolmente aumentato l’efficienza della rete nel veicolo, supportando la connessione tra ECU, sensori e telecamere nei moderni sistemi di supporto dei veicoli, come i sistemi di infotainment e di assistenza alla guida avanzata (ADAS).
1000BASE-T1
Il potenziale di larghezza di banda del protocollo Ethernet automobilistico ha ricevuto una spinta significativa con l’avvento di 1000BASE-T1, versione gigabit che eleva di dieci volte la velocità di comunicazione dei dati, portandola a 1.000 Mbps. Lo standard di 1000BASE-T1 si basa sulla specifica IEEE 802.3bp. Per le applicazioni automobilistiche, 1000BASE-T1 sfrutta ancora un cavo a doppino intrecciato non schermato conveniente per la trasmissione e la ricezione dei dati, lungo sempre fino a 15 metri. Questo sostanziale miglioramento non solo ha aperto la strada all’integrazione di applicazioni automotive ad alto data-rate con funzionalità all’avanguardia come telecamere ad alta risoluzione, sistemi LIDAR ed ECU ad alta intensità di dati, ma si propone per nuove funzionalità dei veicoli del futuro.
MGBASE-T1
Si tratta di una variante che supporta comunicazioni più veloci, in risposta ai “colli di bottiglia” che possono verificarsi nelle moderne architetture informatiche centralizzate automotive, che raccolgono dati da vari sensori e componenti, rendendo necessarie connessioni con larghezza di banda via via crescente; la MGBASE-T1 è un’aggiunta allo standard IEEE 802.3ch e consente velocità multi-gigabit (2,5, 5 e 10 Gbps) su un singolo cavo a doppino intrecciato, con una portata massima di 15 metri e fino a quattro punti di connessione, dando priorità alla compatibilità elettromagnetica e all’efficienza energetica.
10BASE-T1S
Il protocollo Ethernet automotive include anche la variante 10BASE-T1S, orientata a sistemi con esigenze di larghezza di banda inferiori, dato che funziona a 10 Mbps. Questo particolare standard Ethernet automobilistico presenta una soluzione pratica per i sistemi che richiedono una comunicazione più veloce rispetto ai protocolli esistenti come CAN-FD ma non richiedono velocità di trasferimento dati elevate come quelle supportate dal 100BASE-T1S, ad esempio per contenere costi e consumi energetici. In particolare, l’IEEE 802.3cg definisce 10BASE-T1S, dove la S denota la ridotta distanza coperta dai cavi, che è dell’ordine di 15÷25 m. Una variante è lo standard 10BASE-T1L, che copre distanze maggiori (1 km) ma non è utilizzato in automotive, perché i 25 m coprono anche l’estensione di automezzi come gli autocarri. Anche il 10BASE-T1S opera su singolo doppino intrecciato e supporta tre diverse modalità operative:
- punto-punto 15 m con full-duplex opzionale;
- punto-punto 15 m con half-duplex obbligatorio;
- multidrop 25 m con half-duplex opzionale.
Per comprendere l’evoluzione degli standard di comunicazione di rete è possibile riferirsi alla Tabella 1, che propone un confronto completo degli standard Ethernet per l’automotive con transfer-rate da 10 Mbps a 10 Gbps.
Protezione Ethernet tramite TVS
Spiegati gli standard in uso e i progressi nell’Ethernet automotive, si può vedere come coniugare le prestazioni in fatto di velocità di commutazione con l’affidabilità e la protezione da sovratensioni e scariche elettrostatiche (ESD); ebbene, i transceiver Ethernet e i relativi circuiti sono comunemente protetti da Transient Voltage Suppression (TVS) i quali sono componenti che operano la protezione scaricando l’energia in eccesso nei picchi di tensione e svolgono anche un ruolo cruciale nel soddisfare gli standard del settore per la compatibilità elettromagnetica (EMC).
OPEN Alliance definisce determinate caratteristiche che i dispositivi di protezione ESD devono possedere; tra esse il funzionamento bidirezionale del diodo TVS, una tensione di esercizio superiore a 24 V e una tensione di attivazione ESD di almeno 100 V. Inoltre, le linee guida specificano che le interfacce Ethernet devono essere protette da eventi ESD fino a ±15 kV (contatto) per dispositivi non alimentati secondo ISO 10605 (capacità di accumulo di scarica C=150 pF e resistenza di scarica R=330 Ω) e il dispositivo TVS deve poter resistere a 1.000 di tali scariche rimanendo in grado di svolgere il proprio compito.
OPEN Alliance fornisce linee guida anche per il posizionamento dei TVS nelle interfacce Ethernet e, nello specifico, raccomanda di posizionare il diodo TVS tra il connettore MDI (Medium Dependent Interface) e la rete di terminazione in modo comune, come illustrato nella Figura 2, dove è evidenziato in verde il dispositivo TVS. Questo particolare metodo è denominato “protezione lato linea” e si distingue da quanto fatto in passato nell’Ethernet per autoveicoli, dove in genere i progettisti posizionavano il TVS tra il CMC e il PHY, come mostrato nella Figura 3, secondo una configurazione nota come “protezione lato PHY”.
Il vantaggio della tecnica di protezione lato linea è che il diodo TVS è posizionato direttamente sul connettore, proteggendo così non solo il PHY ma anche l’induttore in modo comune (CMC=Common Mode Coil) e gli altri componenti passivi facenti parte dell’interfaccia; in questa configurazione, la sovratensione passa attraverso la terminazione CM, il blocco CC e il CMC nella protezione lato PHY prima di raggiungere il diodo TVS.
Un dispositivo utilizzabile in questo contesto è l’RClamp10022PWQ di Semtech, ossia un doppio TVS in package DFN a 5 pin (2,0×1× 0,55 mm) miniaturizzato progettato per la protezione ESD delle interfacce ethernet per autoveicoli 100BASE-T1, 1000BASE-T1 e 10BASE-T1S secondo le specifiche OPEN Appliance. RClamp10022PWQ è un diodo TVS bidirezionale con una tensione di trigger superiore a 100 V. Questa parte fornisce una tensione di esercizio di 30 V e una tensione di clamping massima di 38 V a una corrente di picco di impulso di 6 A.
Il componente RClamp10022PWQ ha una tensione di tenuta ESD massima di ±15 kV (contatto), ±25 kV (aria) secondo lo standard IEC 61000-4-2 e ±15 kV (aria) e ±15 kV (contatto) secondo lo standard ISO 10605 (condizioni di prova: 150 pF/330 pF, 330 Ω). Inoltre, è qualificato AEC-Q100, Grado 1 e AEC-Q101, quindi idoneo all’ambiente automotive. Il dispositivo Semtech può resistere ad almeno 1000 scariche di contatto a ±15 kV senza danni. La capacità di giunzione massima del dispositivo è 0,6 pF misurata tra i pin I/O e GND, quindi bassa abbastanza da non determinare sensibile attenuazione del segnale. È determinante che i diodi TVS siano a bassa capacità, per minimizzare la perdita di inserzione, la distorsione, nonché minimizzare l’insorgere di interferenze e riflessioni potenzialmente capaci di degradare le prestazioni complessive del sistema.
RClamp10022PWQ utilizza una tecnologia deep snapback o crow-bar per minimizzare la tensione di bloccaggio del dispositivo e sopporta un’elevata corrente di sovratensione, fino 6 A in presenza di impulsi con tp=1,2/50 µs. La tecnologia snapback o crow-bar nei diodi TVS si riferisce a un meccanismo di protezione in cui il diodo passa a uno stato di bassa impedenza quando viene superata una tensione di soglia specifica, consentendogli di deviare la corrente eccessiva e proteggere i componenti elettronici sensibili dai danni dovuti a picchi di tensione.
Gli standard OPEN Alliance richiedono che i componenti ethernet automobilistici superino rigorosi test EMC per garantire un funzionamento affidabile in ambienti automobilistici difficili. Questi test garantiscono la conformità agli standard del settore per interferenze minime, integrità dei dati e funzionamento sicuro in ambienti automobilistici reali. Il dispositivo TVS RClamp10022PWQ ha superato tutti i test standard e le suite di convalida dei principali attori del settore e dei laboratori di verifica del settore automotive.
Protezione lato PHY
Un ulteriore dispositivo TVS offerto sempre da Semtech è l’RClamp0592PWQ ed è un diodo TVS a due linee per la protezione ESD lato PHY delle interfacce Ethernet 100BASE-T1 e 1000BASE-T1 in ambito automotive. L’RClamp0592PWQ si presta alla protezione di sistemi a due linee con una tensione di esercizio di 5 V e una tensione di clamping massima di 6 V a una corrente di picco di impulso di 10 A; sopporta una tensione di tenuta ESD massima di ±30 kV (contatto), ±30 kV (aria) secondo lo standard IEC 61000-4-2 e ±25 kV (aria) e ±30 kV (contatto) secondo lo standard ISO 10605 (Condizioni di prova: 150 pF/330 pF, 330 Ω, 2 kΩ). Anche l’RClamp0592PWQ è qualificato AEC-Q100, Grado 1 e AEC-Q101 e utilizza la tecnologia snapback o crow-bar per ridurre al minimo la tensione di bloccaggio del dispositivo, presentando un’elevata capacità di assorbire corrente in stato di sovratensione (10 A con tp=8/20 µs). Anche questo doppio TVS è incapsulato in package DFN a 3 pin (1,0×0,6×0,55 mm) tanto piccolo da poter essere collocato ovunque.
La Figura 3 propone lo schema di inserzione del componente.
Protezione lato PHY in reti multiGigabit
RClamp01892PWQ è un dispositivo di protezione ESD progettato per interfacce Ethernet automobilistiche ad alta velocità, specificamente pensato per essere applicato lato PHY delle connessioni MultiGBASE-T1 secondo lo schema di inserzione proposto nella Figura 4, dove il doppio TVS è evidenziato in verde. Questo dispositivo compatto, alloggiato in un package DFN a 3 pin (1,0×0,6×0,55 mm) protegge due linee dati da 1,8 V implementando la tecnologia snapback per ottenere una tensione di clamping massima di 5 V a una corrente di picco di impulso di 2,5 A. Offre una protezione contro l’ESD da contatto di ±8 kV (secondo lo standard IEC 61000-4-2) mantenendo al contempo un’integrità del segnale eccezionale grazie alla sua bassa capacità parassita, di appena 0,3 pF. Il dispositivo soddisfa gli standard AEC-Q100 Grado 1 e AEC-Q101.
Naturalmente l’offerta di dispositivi di protezione TVS non si ferma ai tre esempi proposti, ma spazia trasversalmente tra varie Case, non ultima la Diodes, ben nota per la produzione di componenti del genere; proprio nell’offerta Diodes spiccano l’ASMCJ20A(LS) che è un diodo di protezione singolo (pertanto su un doppino Ethernet ne servono due) qualificato AEC-Q101 e PPAP, caratterizzato da un tempo di intervento inferiore a 1.0 ns per l’intervento su impulso unidirezionale e sotto i 5 ns per disturbi bidirezionali.
Sempre in casa Diodes si può trovare il D3V3Z1BD2CSP, un TVS bidirezionale a bassa capacità parassita (0,3 pF) per linee dati ad alta velocità, utilizzabile anche come protezione EOS in virtù dell’alta corrente di picco sopportabile (10,5A, a tP = 8/20 µs). Il dispositivo è ancora un diodo singolo con bassa tensione di intervento ed elevata tensione di contatto ESD (+/-20kV secondo IEC 61000-4-2) qualificato AEC per uso automotive. Il package è un DSN da 0,6×0,3×0,3 mm.
