Autonomes Fahren und Elektrifizierung erfordern zuverlässigen ESD-Schutz für CAN-FD-Busse

Die Erwartungen an die Mobilität und die menschliche Interaktion mit Fahrzeugen ändern sich dramatisch. Die Megatrends der zunehmenden Konnektivität, des autonomen Fahrens und der Elektrifizierung treiben die Entwicklung von Automobil-Kabelbäumen voran und befeuern die wachsende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und größerer Bandbreite, die für hochentwickelte Fahrerassistenzsysteme (ADAS) benötigt werden. Alle Komponenten im Signalpfad müssen vor elektrostatischer Entladung (ESD) und Überspannungsspitzen geschützt werden.

Herkömmliche Kabelbäume und Bordnetze haben einen bedeutenden Wandel durchlaufen. Der klassische Kabelbaum mit flacher Architektur wandelt sich zu einer Domänen- und Zonenarchitektur (Bild 1) mit Automotive Ethernet als Backbone (siehe SEED delivers OPEN Alliance compliant ESD protection liefert OPEN Alliance-konformen ESD-Schutz). Da die Peripheriebusse jedoch immer mehr Daten zu übertragen haben, finden neue Versionen bestehender Protokolle ihren Weg in die Fahrzeugnetze. Der CAN-Bus ist ein Synonym für Fahrzeugnetze, war aber bis zur Einführung von CAN-FD (Flexible Data) auf Datenraten bis 1 Mbit/s begrenzt. CAN-FD unterstützt Datenraten bis 12 Mbit/s und bietet entscheidende Vorteile, die für künftige ADAS-Anwendungen unverzichtbar sind.

2 Mbit/s ist die typische Implementierungsgrenze für Anwendungen, die keine höheren Datenraten benötigen. CAN-FD verwendet die gleichen differentiellen Signalpegel wie High-Speed-CAN.

Die höhere Datenrate wird durch die Verkürzung der dominanten und rezessiven Zustände einer "Sende"-Nachricht erreicht. Diese Technik stellt höhere Anforderungen an die Bitüber­tra­gungs­schicht (PHY), und da die Systeme in Bezug auf EMV und ESD empfindlicher werden, erfordert dies einen zusätzlichen ESD-Schutz durch diskrete Bau­teile, um das System ESD-fest zu machen.

Neben den spezifischen Anforderungen der Automobilhersteller müssen ESD-Schutzbau­teile auch die einschlägigen Normen wie IEC61000-4-2 und ISO10605 erfüllen. Für den CAN (FD)-Bus müssen die ESD-Bau­teile kurzschluss- und stoßspannungsfest nach ISO16750-2 (26 V) oder internen Normen (28 V) sein. In Verbindung mit einem CAN-Transceiver ist außer­dem die Einhaltung des Stan­dards IEC62228-3 (Emission, Störfestigkeit: DPI, Pulse, ESD) erforderlich. Darüber hinaus sind die üblichen Anforderungen für CAN eine Schutzdiodenkapazität von 17 pF bis max. 30 pF und für CAN-FD 6 pF bis 10 pF, da die Daten­rate höher und die Signalintegrität kritischer ist, außer­dem sollten die Kapa­zi­täten der einzelnen Dioden mög­lichst gut übereinstimmen. Deshalb hat Nexperia sein Angebot an IVN-ESD-Schutzdioden erwei­tert und eine neue Generation entwickelt, die auf die Anforderungen von CAN-FD zugeschnitten ist. Die neue Serie PESD2CANFDx gibt es in Aus­füh­rungen mit verschiedenen Klemm­spannungen, Kapazitäten und Gehäusebauformen und ist 2x AEC-Q101 qualifiziert.

Die Vorteile der Leadless-Tech­no­logie

Die Vorteile von Leadless-CAN-FD-Schutzbau­teilen im DFN-Gehäuse im Ver­gleich zum herkömm­lichen SOT-Gehäuse liegen nicht nur in der deutlichen Platzersparnis auf der Leiterplatte, sondern insbesondere in der besseren Signalintegrität, auf die es beim ESD-Schutz entscheidend ankommt. Für die Signal­integrität ist das Leiterbahnen-Routing ein ganz wichtiger Aspekt. Auch wenn parasitäre Kapazitäten des Schutzbau­teils die Signalqualität verringern, spielt bei sehr geringen Kapazitäten das Routing der Leiterbahnen zum Gehäuse eine wichtige Rolle. Die wichtigste Regel im Hinblick auf Signal­integrität lautet: Bleiben Sie immer auf demselben Leiter­platten­layer und vermeiden Sie Stichleitungen.

Ein übliches Verfahren zur Quantifizierung der Signal­integrität sind S-Para­meter-Messungen. Abbildung 4 zeigt die differenziellen S-Para­meter S21dd (Einfügungs­dämpfung), S11dd (Rück­fluss­dämpfung) und S21dc (Gleich­takt­unter­drückung) im Ver­gleich zwischen verschie­denen Gehäusebauformen. Die Messungen wurden mit einem Vektor-Netz­werk­analy­sator durchgeführt, das Mess­system wurde an der Tast­kopf­spitze kali­briert; daher war es nicht nötig, die Messergebnisse zu "de-embedden". Abbildung 4 zeigt die S-Parameter-Messergebnisse für jeweils das gleiche Leiter­bahnen-Routing, gemessen mit den Schutzdioden PESD2CANFD24V-T (SOT23-Gehäuse) bzw. PESD2CANFD24V-QB (DFN1110D-3-Gehäuse), die beide eine maximale Bauteilkapazität von 6 pF aufweisen – die gestrichelten Linien zeigen die Messergebnisse der unbestückten Leiter­platte. Es ist deutlich zu erkennen, wie sich die unter­schied­lichen Gehäusebauformen auf die Mess­ergeb­nisse auswirken. Hier erscheinen die Anschlüsse des SOT23-Gehäuses als Stichleitungen und die größere Struktur im Inneren des Gehäuses führt zu einer höheren Parasitärkapazität. So zeigt die DFN-Lösung im Vergleich zur "bebeinten" Alternative eine bessere Signalintegrität insbesondere bei der Einfügedämpfung (IL) und der Gleichtaktunterdrückung (MC).

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