汽车ESD设计频频受挫？是时候掌握这份避坑宝典

AI 电堂

发布于 2022-12-08 16:52:28

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ESD是静电放电的简称，被认为是电子产品质量最大的潜在杀手，静电防护也成为电子产品质量控制的一项重要内容。随着汽车向电气化、自动驾驶和互连性三大趋势快速演进，汽车ESD设计日益成为工程师最为头疼的问题之一。

ESD和电磁兼容性（EMC）是当今汽车领域面临的主要设计挑战。特别是涉及易受 ESD 损坏的极敏感最新高速接口时，ESD 保护变得异常重要。但是，对于所有电气设计工程师而言，在 ESD 保护、EMI 滤波和信号完整性（SI）之间达到适当平衡是一项非常复杂的工作。

汽车行业呼唤更耐用的ESD

电气化、自动驾驶和连接性，这三大趋势正在塑造汽车行业的现在和未来，也为ESD设计提出了更高要求。

自动驾驶和连接性让车辆的数据速率不断提高，通信节点数量呈爆炸式增长。随着摄像头、雷达、激光雷达等传感器数量迅速增加，需要传输的数据越来越多。

在硬件层面上，自动驾驶系统要求出色的可靠性，通常需采用多个冗余级别运行，大量的数据在整个汽车中进行传输。而且，由于这些系统基本上是“实时”的，延迟必须很短，并且不能出现链接错误。这就要求ESD接口必须非常可靠耐用，对工作期间产生的ESD(带电ESD)具有耐受性，并支持更高的数据速率。现在的汽车接口速度已高达15 Gbps，与消费电子产品接口相当，甚至更高。

连接性即车联网，指的是汽车与驾驶员的电子设备、路边基础设施以及其他车辆或电子设备的众多交互可能，主要支持技术包括无线技术（如5G、WiFi 和NFC）和有线技术(如USB 3.x和HDMI)。从ESD的角度来看，汽车的使用环境一般都比较恶劣，为满足成本和客户对安全性能的高要求，接口通常都采用坚固耐用的设计。

IC技术发展对ESD保护提出更大挑战

随着芯片集成度越来越高，硅片工艺氧化层变得越来越薄，嵌入式FET的栅极因此更易受到浪涌事件的影响。ESD会引起高达30 kV峰值电压、总脉宽约100 ns的高电压事件。此外，脉宽更长(约60 μs)、极端电压电平较低的浪涌事件也需要进行防护。在多数ESD相对安全的环境下，内部ESD保护可以在组装过程中保护元件。但它无法防范在应用现场发生的ESD事件。因此，外部ESD保护必不可少。

当今的高速和超高速接口一般以较低的信号电平工作。高达20 Gbit/s的数据传输速度需要对印刷电路板(PCB)布局进行精心设计，才能保持信号完整性。这可通过适当的阻抗匹配来实现，同时避免过高的损耗和反射。

另外，汽车还必须考虑各种EMC问题。从合规性角度来看，ESD只是EMC的一个方面。由于汽车的系统基础芯片(SBC)越来越多地集成了CAN或LIN收发器，对于传统的汽车接口（尤其是消费电子接口和ADAS接口）而言，ESD/EMC防护变得越来越重要。因此外部ESD保护始终具有重要意义。

ESD保护技术不断演进

随着接口数据速率提高和IC鲁棒性降低，ESD保护器件的技术也在不断进步。

起初，人们使用电容进行ESD保护，但由于它对ESD的影响有限，而且不适用于数据线，现在已经不再使用。

ESD保护的标准技术是基于齐纳二极管设计的。它非常可靠，但设计本身的钳位电压相当高，因此在许多情况下对敏感IC的保护效果不好。此外，它的寄生电容太高，不适用于高速数据线。轨至轨技术使用 pn二极管来掩蔽齐纳二极管的电容，使齐纳技术能够应用于高速接口，但它的钳位行为比单独使用齐纳二极管还要差。

与硅工艺解决方案相比，压敏电阻的电容可以很低，但钳位效果却差得多。此外，反复的ESD事件会使压敏电阻性能下降，导致漏电流显著增加，并改变寄生电容值。因此，压敏电阻也不是汽车接口保护的首选。

当今，用于高速汽车接口的保护器件基于先进的硅结构，比如可控硅整流器(SCR)和开基技术。这些先进技术可以显著提高器件鲁棒性与寄生电容的比值。这些器件的寄生电容非常低，以至于封装的寄生效应主导了射频特性。此外，这些技术还以极低的钳位电压提供出色的系统级鲁棒性。回弹器件允许的钳位电压甚至低于触发电压。

选择ESD保护策略，你需要考虑这三个参数

在选择ESD保护策略时，无论是哪种应用或接口，都要考虑三个基本参数：保护器件本身承受ESD和浪涌事件的高度稳健性，低钳位电压以及低动态电阻。

TrEOS保护是Nexperia的一项ESD保护技术，它将所有三个关键参数的业界标杆数值相结合：深度回弹、低动态电阻、具有超低电容的高ESD稳健性，非常适合超高速数据线路，如采用USB 3.2或Thunderbolt接口的RX/TX线路，并且能够保护非常敏感的片上系统(SoC)，还能提供汽车认证版本。