Autor: Preethi Subbaraju
Aplicaciones de alta velocidad en automoción
Actualmente el mundo de la automoción está experimentando importantes cambios tecnológicos que pretenden remodelar el futuro del sector. Uno de los más significativos es la necesidad de mejorar la conectividad, la transmisión de datos y las opciones de infoentretenimiento tanto para el conductor como para los pasajeros. Esta demanda ha provocado un crecimiento considerable de los protocolos de comunicación, las redes a bordo y las aplicaciones eléctricas en los vehículos. En concreto, la importancia de los enlaces de datos de alta velocidad como USB, HDMI y diversas aplicaciones de vídeo ha crecido significativamente en este contexto particular.
Con el crecimiento cada vez mayor de los sistemas eléctricos en los coches y el rápido aumento de las velocidades de datos de Ethernet, es imperativo que las redes en los vehículos presenten una mejor integridad de la señal (SI), compatibilidad electromagnética (CEM) y robustez frente a descargas electrostáticas (ESD).
En este artículo, exploraremos el impacto de una protección ESD moderna en la SI utilizando técnicas de modelado 3D de onda completa (Dassualt, 2023). En consecuencia, los resultados se examinarán en el dominio de la frecuencia, concretamente en relación con los parámetros de dispersión y la reflectometría en el dominio del tiempo (TDR).
La figura 1 muestra una configuración típica de un canal diferencial de alta velocidad en automoción. En esta configuración punto a punto (P2P), dos placas de circuito impreso del sistema están conectadas con un cable apantallado. Un cable de alta velocidad para automoción es un par trenzado apantallado (STP) o un par paralelo apantallado (SPP).
La parte entre el Rx/Tx y el cable se denomina interfaz dependiente del medio (MDI) que contiene las pistas (traces), el bloque de CC, la protección ESD y el conector para el STP o SPP. En el siguiente ejemplo, nos centraremos en el papel de la ESD en el bloque MDI.
Figura 1. Configuración típica de un MDI de alta velocidad. En función de los requisitos específicos, la posición de los dispositivos de protección ESD también puede situarse entre el CI de alta velocidad y el bloque de CC..
Configuración de la simulación
La investigación se realiza exclusivamente a nivel de simulación (CST MW Studio), por lo que se ha elegido una placa de circuito impreso apilable de cuatro capas con las dimensiones típicas (véase la figura 2). Para simplificar y ahorrar tiempo de simulación, sólo utilizamos las dos primeras capas (capa superior y GND). Las líneas diferenciales están enrutadas en la capa superior, y la tierra es una capa sólida sin huecos ni aberturas.
Figura 2. Esquema de una placa de circuito impreso típica de 4 capas. Las dimensiones se eligieron para cumplir los 100Ω para la línea microstrip.
Figura 3.
La PCB mide 2,5×2,5 cm (véase la figura 3). Nuestra investigación examinó únicamente la región de la PCB situada entre el conector y el PHY, haciendo hincapié en las pistas y en las consecuencias de incorporar en ellas el dispositivo de protección ESD.
La simulación se realizó utilizando puertos discretos de un solo extremo. No se asumieron campos externos y las condiciones de contorno se fijaron en ABIERTO/OPEN (add space). Todas las simulaciones se realizaron utilizando el calculador del dominio de la frecuencia. Para el prepeg, se utilizó FR4 con εr= 4,3 y tanδ = 0,025 a 10GHz. Para el material conductor, utilizamos cobre con una conductividad de σ=5,8e7 S/m. El TDR se realizó en un paso de post-procesado utilizando los Parámetros-S y el tiempo de subida de la señal TDR fue tr=100ps.
Resultados de la simulación en frecuencia y en el dominio temporal
Las primeras simulaciones se centran únicamente en las pistas. Aquí, las líneas microstrip se modelan con las dimensiones mostradas en el apilamiento de la PCB, ver Figura 2. Para establecer un entorno electromagnético óptimo, incorporamos una conexión a tierra mediante una jaula muy próxima a las líneas microstrip.
Los resultados se muestran en el dominio de la frecuencia y del tiempo. Los parámetros de dispersión diferencial (parámetros S ), SDD21 se calculan a partir de la simulación de un solo extremo en un paso de postprocesado. En la Figura 4, vemos un comportamiento típico de la línea de transmisión, similar al de un filtro de paso bajo. Los resultados TDR están mostrando un pequeño desajuste en la línea microstrip. Este desajuste es <1Ω y es una desviación razonable y dentro de la tolerancia de fabricación típica de la PCB.
Figura 4. Modelo y resultados de la simulación de las líneas de transmisión diferencial únicamente.
En el segundo paso, añadimos un condensador en serie y el dispositivo de protección ESD. Cabe destacar que los condensadores de CC podrían tener un impacto significativo en una aplicación real, pero en nuestra simulación, un modelo ideal de condensador mostró un efecto insignificante, por lo que no se profundizará en este elemento. Como dispositivo de protección ESD, añadimos el PESD5V0H1BSF, con aproximadamente 0,15pF. Los dispositivos ESD se modelaron incluyendo el encapsulado (SOD962), véase la Figura 5.
Figura 5. Resultados del modelo y la simulación del dispositivo de protección ESD y los condensadores CC añadidos a las pistas diferenciales.
El encapsulado se modeló incluyendo todos los componentes de este, como el marco de plomo, la carcasa, etc., incluidas las dimensiones y los parámetros de material correspondientes. Los parámetros S muestran una ligera reducción del ancho de banda al añadir el dispositivo de protección ESD. En los datos TDR, vemos que el dispositivo de protección ESD reduce localmente la impedancia hasta ~93Ω, lo que es típico de los dispositivos de protección ESD debido a su comportamiento principalmente capacitivo. En la mayoría de las aplicaciones, la ventana de tolerancia de la impedancia a lo largo de la ruta de PCB es de ±10% o incluso ±15%, lo que es coherente con el dispositivo de protección ESD en la línea.
Resumen/Conclusión
El propósito de este artículo es destacar la aplicación de un dispositivo de protección ESD en un entorno de simulación de última generación, y su relevancia para la ingeniería electrónica. Dentro del entorno de simulación, el dispositivo ESD puede implementarse como un modelo 3D completo. Todas las dimensiones del encapsulado y los parámetros del material pueden incluirse en el modelo 3D. El objetivo del análisis es demostrar el rendimiento de una parte del MDI, que incluye las líneas microstrip, los condensadores de CC y el dispositivo de protección ESD. Modelar el dispositivo de protección ESD como un modelo 3D completo puede ser muy ventajoso, especialmente para interfaces de alta velocidad que son sensibles a los elementos parásitos.
Nexperia ofrece a los clientes la posibilidad de acceder a varios modelos 3D para encapsulados ESD específicos, y les ayuda además facilitando la integración en su entorno de simulación.
