今天的汽车站在技术发展的前沿，拥有众多精密功能，如自动驾驶能力、GPS导航、通过蓝牙实现的免持通话，再加上苹果CarPlayTM 和Android AutoTM的进一步增强，以及许多改进安全和舒适性的尖端功能。汽车上添加的功能越多，就会使用越多的半导体元件。汽车应用中使用的半导体元件必须满足AEC-Q标准。这个国际标准规定了在车载电子系统中使用的封装集成电路和离散元件所需的资格。随著越来越多的接口用于高速信号传输，汽车系统中添加了更多的半导体元件。
低压差动信号(LVDS)、GMSL、乙太网(Ethernet)和USB是现代车辆中常见的高速接口。确保这些高速接口在严苛的汽车环境中可靠运行的一个关键考虑因素是提供强大的保护，以应对电气过压（EOS）事件。造成EOS损害的主要罪魁祸首之一是静电放电（ESD）。在满足现代车辆严格的安全性和可靠性标准的同时，保护电子元件免受ESD威胁变得日益重要。
现在的问题是，汽车电子制造商应该遵循哪些ESD标准，以确保符合安全性和可靠性要求？这篇博文将深入探讨两个重要的ESD标准：IEC 61000-4-2，用于系统环境的ESD测试，以及ISO 10605，用于与汽车内外人体接触相关的ESD测试。最后，本博文还将提出如何使用ESD保护装置保护汽车电子设备。
IEC 61000-4-2
IEC 61000-4-2是由国际电工委员会（IEC）发布的一个全球公认的ESD标准，适用于终端用户环境中的任何电子应用。该标准使用一种测试配置，模拟一个充电的人体与集成电路（IC）接触的情境，随后通过IC将潜在有害的ESD放电到地面。IEC 61000-4-2测试程序包括通过电阻器放电电容器，有效模拟ESD源于人体并影响集成电路（IC）的情境。您可以参考图1中的测试设置。测试配置包括一个150pF的电容器，根据指定的电压充电，然后通过一个330Ω的电阻器放电到元件引脚。
图1. IEC 61000-4-2系统环境模拟电路
图2显示了根据IEC 61000-4-2的接触式放电波形。这个波形具有非常快的上升时间，通常在0.7至1奈秒之间。在初始峰值后，有一个较小的第二个峰值，然后波形衰减。IEC 61000-4-2标准包括四个级别，从级别1到级别4。这些级别有两个主要的测试方式：接触放电方法和空气放电方法。有关IEC 61000-4-2标准的详细信息，请参考本博文。根据这个标准，IC必须承受至少4级的ESD威胁，即±8 kV的接触放电和±15 kV的空气放电。
图2. 根据IEC 61000-4-2的8 kV接触放电波形
ISO 10605
ISO 10605是由国际标准化组织（ISO）发布的全球标准，详细说明了评估汽车行业中使用的电子元件的ESD耐受性的测试方式。ISO 10605借鉴了IEC 61000-4-2作为处理系统环境ESD耐受性的基础。它包括正极和负极测试、接触和空气放电方法，以及电阻-电容网路规格等要素。然而，这个标准引入了多个IEC 61000-4-2的偏差，特别适用于汽车应用。
图3.系统环境的ISO 10605模拟线路
根据图3所示，ISO 10605中的测试过程经由一个电容器及电阻，这与IEC 61000-4-2中使用的方式相似。在ISO 10605标准的测试中，使用两个电阻，分别为330Ω和2000Ω，以模拟不同类型的ESD情景。330Ω的电阻模拟了人体通过金属物体放电的情境，而2000Ω的电阻则模拟了人体直接通过皮肤放电的情况。此外，测试使用两种不同的电容值：150pF和330pF。在处理从车内接触车辆区域的人体接触时，ISO 10605测试模拟器使用330pF的充电电容。对于只能从车辆外部接触区域的人体接触，使用150pF的电容。在这两种情况下，可以根据所需的ESD情景选择330Ω或2000Ω的电阻。通常，接触放电的测试电压在±2kV至±15kV之间，而空气放电的测试电压则在±2kV至±25kV之间。对于既能从车辆外部接触又能从车内接触的区域，同时使用生成器电容值和最大测试电压分别为±15kV和±25kV。然而，需要注意的是，某些汽车制造商可能会制定其独特的规格，特定组件可能需要以更高的耐受值进行测试。值得注意的是，使用330pF电容和330Ω电阻的测试配置代表ISO 10605所有测试参数中的能量和电流最高。表1总结了IEC 61000-4-2和ISO 10605标准的零件值的使用，图4显示了ISO 10605的接触放电波形，当放电电阻为330Ω和2000Ω时，测试电压为8kV。
表1. IEC 61000-4-2 和 ISO 10605 模拟器中使用的 RC 网络参数
图4. 根据ISO 10605的8kV接触式放电波形：放电电阻330Ω（左），2000Ω（右）
IEC 61000-4-2 和 ISO 10605 之间的差异
现在我们了解了这两个标准，让我们总结一下它们之间的基本区别：
- 虽然IEC 61000-4-2和ISO 10605都涉及ESD测试，但它们的服务对象和目标电子系统不同。IEC 61000-4-2的范围较广，适用于各种电子产品，包括消费性电子产品、工业设备等。相反，ISO 10605定制了汽车行业，以满足该行业独特的ESD测试要求。制造商应根据其产品类别和预期用途选择相关标准。
- IEC 61000-4-2模拟器使用330Ω和150pF的RC网路，而ISO 10605使用两个330Ω和2000Ω的电阻器以及两个150pF和330pF的电容器，提供四种可能的RC网路组合。
- 150pF/330Ω
- 150pF/2000Ω
- 330pF/330Ω
- 330pF/2000Ω
- IEC 61000-4-2建议的空气放电测试电压为±15kV。ISO 10605在零件在车内可接触的情况下也提供了±15kV的空气放电测试电压。然而，如果测试零件在车外可接触，则建议使用±25kV的空气放电提高规格。然而，正如前面提到的，一些汽车制造商可能要求以更高的限制进行测试，高达±30kV。
- IEC 61000-4-2测试要求每秒重复放电二十次，而ISO 10605标准则规定每秒放电十次。
- 最后的区别在于在这两个标准中如何接地测试设备（DUT）。在IEC 61000-4-2中，典型的接地方法是使用金属接地平面或水平耦合平面（HCP）通过电阻带与地面参考平面（GRP）建立电气连接。相反，ISO 10605规定使用导电接地平面，基本上是水平耦合平面（HCP），通常由金属或其他导电材料制成，以代表汽车底盘。DUT放置在这个水平耦合平面上，以模拟汽车中的电气接地系统。
使用电路保护装置进行ESD保护
透过在资料线或电源线上安装瞬态电压抑制（TVS）二极体，可以实现抵挡ESD功能。TVS二极体是固态二极体，经过工程设计，能够迅速对电压突波做出反应，将电压限制在安全值之内，然后再进入电路，这一切在不到一个奈秒的时间内完成。在典型的操作情境下，TVS二极体对受保护的电路呈现高阻抗通道，有效地表现得像是一个断路。然而，当发生瞬态事件时，TVS二极体迅速转变为低阻抗状态，将瞬态电流引开离电路，提供必要的保护。一旦ESD事件平息，TVS二极体又回复到高阻抗状态，准备好进行后续的保护。
透过Semtech的TVS二极体，实现对汽车电子设备的保护
为了有效设计汽车系统，必须严格遵守IEC 61000-4-2标准的第4级和ISO 10605标准，同时获得AEC-Q资格。此外，在大多数汽车应用中，包括具有侧面可润湿侧翼side-wettable flanks的封装已成为一个必要的要求。Semtech提供了一个多功能的高效和可信赖的TVS二极体系列，目的在满足各种汽车需求和应用。通过全面的具有侧面可润湿侧翼side-wettable flanks的封装选择，实现了完整的侧面吃锡，简化了自动光学检测。Semtech的汽车TVS二极体符合严格的IEC 61000-4-2和ISO 10605 ESD标准，并提供低箝位电压，显著增强了抗干扰性。
现在让我们来探讨Semtech的两款先进的TVS二极体，它们为车辆内的高速数据汇流排和其他通信接口提供强大的保护。
2-Wire Ethernet
随著汽车功能不断扩展，对传输速度的需求不断增加，因此需要满足这些乙太网路的需求。在实现高速接口（例如Ethernet）的系统时，在高度挑战性的汽车环境中，确保足够的ESD保护的稳定性变得相当重要。这能确保在瞬态事件干扰下仍能可靠运行。
图5. RClamp10022PWQ的特点
Semtech的RClamp10022PWQ（见图5）是一款为汽车乙太网接口提供ESD保护的2线解决方案。该元件提供30V的工作电压和6A峰值脉冲电流，在此电流下的典型箝位电压为28V。根据IEC 61000-4-2标准，RClamp10022PWQ提供±25kV（空气）和±15kV（接触）的ESD保护，根据ISO 10605标准提供±30kV（空气）和±30kV（接触）的瞬态保护（测试条件：150pF/330pF，2kΩ）。它在I/O引脚和GND之间仅有最大的结端电容为0.6pF。RClamp10022PWQ提供5引脚DFN封装（2.0 x 1.0 x 0.55 mm）。RClamp10022PWQ专为汽车应用中的OPEN Alliance乙太网接口而设计，并经过AEC-Q100，1级和AEC-Q101的资格认证。
LVDS
低压差分信号（LVDS）技术经常用于车辆内影像的高速传输。LVDS作为高速、长距离数据通信的数位接口，通常使用双绞线电缆作为数据通信。通过LVDS接口实现的数据或图像传输速率通常在650Mbps到1.3Gbps之间。由于是高速的传输，因此低的线对线电容ESD保护装置是就相当重要。这是为了在传输数据或图像时保持信号完整性。
图 6. RClamp0534PWQ的特点
Semtech的RClamp®0534PWQ（见图6）专门设计用于保护LVDS接口的高速差分线。它可以保护四条高速数据线，最大寄生电容为0.18pF。它的工作电压为5V，额定的最大EOS峰值脉冲电流为4A（tp=8/20µs）。在峰值电流为4A时，典型的箝位电压为4.3V。RClamp0534PWQ提供根据IEC 61000-4-2（ESD）规格的瞬态保护，±15kV（空气）、±10kV（接触）以及根据ISO 10605标准提供±20kV（空气）、±10kV（接触）的保护（测试条件：150pF/330pF，2kΩ）。它还与IEC 61000-4-4（40A EFT，5/50ns）和IEC 61000-4-5（雷击4A，8/20µs）。RClamp0534PWQ提供10引脚DFN封装（2.5 x 1.0 x 0.55mm），具有侧面可润湿侧翼side-wettable flanks的封装。该器件的通过式封装设计简化了PCB布局，有助于保持信号完整性。
总结
这些仅是Semtech用于保护车辆内网路和接口的最先进的汽车TVS二极体的一些示范。然而，重要的是，当电路规格或数据传输速度发生变化时，选择适当的TVS二极体的标准也会发生变化。为确保新设计中的电子元件完整被保护，建议探索Semtech的汽车保护产品组合。Semtech是全球众多尖端汽车电子设备的主要TVS二极体制造商之一。在苛刻的汽车环境中，应谨慎设计并仔细选择TVS二极体，以确保保护通信汇流排和接口的安全。
欲了解更多有关Semtech汽车产业产品的信息，请下载Semtech的汽车产品指南或线上参考Semtech汽车电路保护产品
FAQ
1.问：在选择单向和双向TVS保护元件之间，您应该如何做出决定呢？
单双向TVS皆可保护正负的突波，主要为取决于讯号是否有正负的工作电压，若有正负工作电压的环境就需要使用双向TVS，一般直流电或是只有正压的讯号线可以使用单向或是双向TVS皆可。
2.问：为什么挑选静电放电（ESD）保护元件的电容值重要？
TVS的半导体接合面会有寄生电容产生，若为DC直流环境，此电容影响是非常小的，但是应用于高速讯号线时，讯号在变化中电容会影响讯号的上升及下降波形，当波形变化太大对于接受端就会无法判别准位，因此需要选择寄生电容小的TVS。
3.问：是否可以将多个静电保护元件并联或串连以提供更好的保护效果？
将多个静电保护元件并联使用（并联保护）可以提供更好的保护效果。这是因为并联保护会将静电放电能量分散到多个保护元件，从而降低每个元件上的电压，提高整体保护效率。相比之下，将多个静电保护元件串联使用（串联保护）会增加串联电阻并提高箝位电压。这样做可能会导致过多的电流落在被保护的元件上，从而降低了其保护能力，反而可能对敏感元件造成损害。
4.问：选择保护元件时如何选TVS的工作电压？
“Reverse Stand-Off Voltage”是指TVS（Transient Voltage Suppressor）保护元件的反向截止电压。这是保护元件在正常工作状态下可以承受的最大反向电压，也就是它的反向偏压。当电路中的反向电压低于这个值时，保护元件不会导通，不会影响电路的正常运作。这个参数在选择TVS保护元件时非常重要，特别是在应对过压保护的情况下。选择的反向耐压电压必须高于电路中可能出现的最大反向电压，同时又不能太高，以避免影响正常操作。
例如，如果您的电路最大的反向电压是12伏特，您可以选择一个反向耐压电压稍高于12伏特的TVS保护元件。这样，当出现一些小的反向过压时，保护元件不会导通。然而，当出现超过12伏特的反向过压时，保护元件会迅速导通，将多馀的电压引导到地，防止过电压对电路造成损害。总之，理解并选择适当的TVS保护元件的反向耐压电压是确保电路在遭受反向过压时能够得到适当保护的重要一环。
5.问：如何选择适合的静电保护元件？
选择适合的静电保护元件需要考虑多个因素，以确保它能够有效地保护您的电路免受静电放电和过电压的影响。以下是选择静电保护元件的一些建议步骤：
- 了解应用需求：首先，确定您的应用的需求。考虑您需要保护的工作环境，例如湿度的高低，使用的频繁度等，都与需要保护的等级有关系。
- 确定保护位置：确定保护元件应该放置在电路中的哪个位置。通常情况下，保护元件应该位于电路接口处、输入/输出端口，以及敏感元件周围。
- 选择元件类型：静电保护元件有多种类型，包括TVS二极管、Varistor、Gas Discharge Tube等。根据您的应用需求，选择最适合的元件类型。
- 工作电压范围：根据您的应用的最大操作电压，选择具有适当工作电压范围的保护元件。
- 过电压保护等级：选择一个适当的过电压保护等级，即保护元件导通时的电压。这应该在不影响电路性能的情况下提供足够的保护。
- 最大耐电流：确保保护元件可以承受可能的瞬态过电流。
- 反应速度： 不同的保护元件对过电压的应对速度可能不同。根据您的应用，选择适合的应对速度。
转载于 Semtech Anindita Bhattacharya https://blog.semtech.com/esd-protection-of-automotive-interfaces
参考来源