如何为汽车 A/V 接口提供出色的 ESD 保护

周四, 2 十二月 2021 - 10:32

文章来源： <a href="https://mp.weixin.qq.com/s/zcKbLM3Z4Rgumej0ldSF8A">安世半导体</a>

驾驶员和车辆现在越来越依赖高级驾驶辅助系统（ADAS）。在车辆的 ADAS 中，虽然雷达和激光雷达等系统的使用非常重要，但其高度依赖高质量的视频图像。随着车辆自动化程度不断提高，这些视频流质量的重要性日益凸显。从设计方面来看，高速视频链接设计需要考虑如何在恶劣的环境下，保持所需的信号完整性。 
<img alt="ADAS" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="9fda5cf6-e5dd-4b6e-88eb-853689b9bc40" src="/sites/default/files/inline-images/1_233.png" />
一些汽车已经配备了可以自动识别道路标志，或是检测汽车偏离车道的系统。到目前为止，这些功能只能使用车辆内部和周围的视频传感器加以实现。

尽管视频数据在汽车领域的使用和重要性与日俱增，但仍然缺少全球公认的标准来定义视频数据在车辆周围共享的方式。制造商将自行选择自己偏好的解决方案。其中包括专有标准，例如 APIX、GSML 和 FPD-Link，分别支持 6 Gbit/s、10 Gbit/s 和 13 Gbit/s 速度。此外，速度高达 1 Gbit/s 的汽车级以太网的使用也与日俱增。

随着带宽和分辨率需求不断提高，车辆中使用的平均视频链接数量也将增加。不久前还适用于倒车摄像头的标准清晰度，将被高清晰度、高帧率的传感器所取代，从而在高速行驶时进行高分辨率图像捕获。

保持信号完整性是重中之重

从设计方面来看，高速视频链接设计需要考虑如何在恶劣的环境下，保持所需的信号完整性。视频数据路径中添加的每个组件都会引入损耗，这将影响同轴电缆的选择、连接器的质量，以及信号如何路由到链接的物理接口（PHY）。保持信号完整性是重中之重，但仍需要通过增加适当级别的保护，防止潜在的 ESD 脉冲和故障条件（例如电池轨短路）。接口还需要承受高达 10 kV 的瞬态电压。必须仔细考虑与所用保护器件相关的插入电容的影响，以便在不影响信号完整性的前提下提供保护。更多详细信息详见此白皮书。

例如，过去的建议是将 ESD 器件尽可能靠近 PHY，以保护 IC。这一建议早已更改，现在 ESD 保护的首选位置是将保护放置在尽可能靠近连接器的位置。这通常意味着，ESD 器件现在位于隔直电容的连接器侧，如图1所示。如果使用可选的共模扼流圈（CMC），这也意味着将 ESD 器件从 PHY 侧移动到CMC的连接器侧。

<img alt="ESD的放置选项" data-entity-type="file" data-entity-uuid="0b7d395e-e78b-42cd-832b-55c0cb90454b" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1.ESD%E7%9A%84%E6%94%BE%E7%BD%AE%E9%80%89%E9%A1%B9.png" /> 
图1.ESD的放置选项

那么，为什么要改变之前的方法呢？原先的位置靠近 PHY，很明显 ESD 器件旨在保护 PHY 的敏感电子电路。为了做到这一点，静电冲击需要通过隔直电容和 CMC。在这个位置，能够将与 ESD 保护相关的插入损耗降到最低。但很明显，电路的其他组件和部分无法受到保护。

ESD保护的最佳位置是什么？

从技术角度来看，ESD 保护的最佳位置实际上应尽可能靠近连接器。这样一来，ESD 可以将 ESD 脉冲钳位到地，同时仍与电路保持物理距离，尤其是与 PHY 本身。这就是为什么汽车行业的一些规范，例如开放技术联盟特别利益集团（SIG）提出的规范，现在建议 ESD 保护应更接近 ESD 脉冲进入 PCB 的点。其目的是根据系统的需要，而不是为某个特定组件提供 ESD 保护。图2显示了 ESD 器件位置的变化。

<img alt="ESD保护器件的物理位置已更靠近连接器" data-entity-type="file" data-entity-uuid="a154fda1-6b83-4ea0-b2e0-7d34d89025dc" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2.ESD%E4%BF%9D%E6%8A%A4%E5%99%A8%E4%BB%B6%E7%9A%84%E7%89%A9%E7%90%86%E4%BD%8D%E7%BD%AE%E5%B7%B2%E6%9B%B4%E9%9D%A0%E8%BF%91%E8%BF%9E%E6%8E%A5%E5%99%A8.png" /> 
图2.ESD保护器件的物理位置已更靠近连接器

将 ESD 器件移近连接器能够为更多电路提供保护，但由于它靠近连接器的端子，还会产生其他影响。这些影响将决定汽车工程师在实现高速接口（例如视频连接）时所做的设计选择。这些选择与 ESD 器件引入的电容，以及这会如何影响当前数字信号的上升/下降时间有关。

此外，由于 ESD 保护器件现在更接近“外部世界”，因此将面临截然不同的威胁。这包括电缆上的潜在故障，可能会导致信号和电源轨之间短路。在汽车环境中，这意味着 ESD 器件需要承受其端子间至少 12V 的短路，而不会出现故障。如果 ESD 器件放置在 CMC 和隔直电容后，这一要求也无需考虑了。图1包括可用于任一位置的器件选择，突出显示了不同的反向关态电压（VRWM）。

仿真对于现代汽车设计至关重要

在汽车设计中，仿真在项目概念阶段的重要性正日益凸显。Nexperia（安世半导体）深谙于此，并支持 ESD 事件本身的仿真和SI仿真。可以使用高效的系统级 ESD 设计（SEED）模型，对 ESD 保护器件进行评估。

使用 SEED 方法的仿真同时考虑接口与电路的其余部分。模型基于等效电路来表示 PHY、CMC 和隔断电容。可以对 ESD 保护的静态和动态行为进行建模。使用 SEED 仿真和模型，设计工程师可以测试自己的 ESD 电路设计选择，然后根据结果选择合适的 ESD 保护器件，即使在概念阶段也是如此。Nexperia（安世半导体）已使用这种方法来表征其 ESD 保护器件，并分析它们如何抵抗受控静电放电引起的初始电流和残余电流。Nexperia（安世半导体）还为其所有 ESD 保护器件提供散射参数数据，包括用于高速接口的器件，尤其是视频链接。设计工程师可使用散射参数，对其独立系统进行 SI 仿真。

请点击<a href="https://www.nexperia.cn/applications/automotive/multimedia-bus-protecti…;，详细了解 Nexperia（安世半导体）面向汽车行业多媒体总线保护的 ESD 产品，探索如何将 SEED 模型和仿真用于高速汽车接口的保护和 SI。

作者简介

<img alt="Andreas Hardock" data-entity-type="file" data-entity-uuid="eca46b70-d4ac-4998-bf5e-312fdc978658" height="225" src="/sites/default/files/inline-images/Andreas%20Hardock.png" width="225" /> 
Andreas Hardock

Nexperia ESD 的应用营销经理 Andreas Hardock 博士于2010年在维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学（Julius-Maximilians-University）毕业，并于 2015 年在汉堡理工大学（TU Hamburg）获得博士学位。他从事基于VIA的滤波器和耦合器的信号处理领域的工作。Andreas Hardock 自 2015 年以来一直在汽车行业为 BHTC 和大陆集团（Continental）工作，负责 ESD 和 EMV 。自 2020 年以来，Andreas一直在 Nexperia 负责 ESD 在汽车中的应用。

Nexperia (安世半导体)

Nexperia（安世半导体），作为半导体基础元器件生产领域的高产能生产专家，其产品广泛应用于全球各类电子设计。公司丰富的产品组合包括二极管、双极性晶体管、ESD 保护器件、MOSFET 器件、氮化镓场效应晶体管 (GaN FET) 以及模拟 IC 和逻辑 IC。Nexperia总部位于荷兰奈梅亨，每年可交付 1000 多亿件产品，产品符合汽车行业的严苛标准。其产品在效率（如工艺、尺寸、功率及性能）方面获得行业广泛认可，拥有先进的小尺寸封装技术，可有效节省功耗及空间。

凭借几十年来的专业经验，Nexperia（安世半导体）持续不断地为全球各地的优质企业提供高效的产品及服务，并在亚洲、欧洲和美国拥有超过12,000名员工。Nexperia（安世半导体）是闻泰科技股份有限公司 (600745.SS) 的子公司，拥有庞大的知识产权组合，并获得了 IATF 16949、ISO 9001、ISO 14001 和 OHSAS 18001 认证。