今天的汽車站在技術發展的前沿，擁有眾多精密功能，如自動駕駛能力、GPS導航、通過藍牙實現的免持通話，再加上蘋果CarPlayTM 和Android AutoTM的進一步增強，以及許多改進安全和舒適性的尖端功能。汽車上添加的功能越多，就會使用越多的半導體元件。汽車應用中使用的半導體元件必須滿足AEC-Q標準。這個國際標準規定了在車載電子系統中使用的封裝集成電路和離散元件所需的資格。隨著越來越多的接口用於高速信號傳輸，汽車系統中添加了更多的半導體元件。
低壓差動信號(LVDS)、GMSL、乙太網(Ethernet)和USB是現代車輛中常見的高速接口。確保這些高速接口在嚴苛的汽車環境中可靠運行的一個關鍵考慮因素是提供強大的保護，以應對電氣過壓（EOS）事件。造成EOS損害的主要罪魁禍首之一是靜電放電（ESD）。在滿足現代車輛嚴格的安全性和可靠性標準的同時，保護電子元件免受ESD威脅變得日益重要。
現在的問題是，汽車電子製造商應該遵循哪些ESD標準，以確保符合安全性和可靠性要求？這篇博文將深入探討兩個重要的ESD標準：IEC 61000-4-2，用於系統環境的ESD測試，以及ISO 10605，用於與汽車內外人體接觸相關的ESD測試。最後，本博文還將提出如何使用ESD保護裝置保護汽車電子設備。
IEC 61000-4-2
IEC 61000-4-2是由國際電工委員會（IEC）發佈的一個全球公認的ESD標準，適用於終端用戶環境中的任何電子應用。該標準使用一種測試配置，模擬一個充電的人體與集成電路（IC）接觸的情境，隨後通過IC將潛在有害的ESD放電到地面。IEC 61000-4-2測試程序包括通過電阻器放電電容器，有效模擬ESD源於人體並影響集成電路（IC）的情境。您可以參考圖1中的測試設置。測試配置包括一個150pF的電容器，根據指定的電壓充電，然後通過一個330Ω的電阻器放電到元件引腳。
圖1. IEC 61000-4-2系統環境模擬電路
圖2顯示了根據IEC 61000-4-2的接觸式放電波形。這個波形具有非常快的上升時間，通常在0.7至1奈秒之間。在初始峰值後，有一個較小的第二個峰值，然後波形衰減。IEC 61000-4-2標準包括四個級別，從級別1到級別4。這些級別有兩個主要的測試方式：接觸放電方法和空氣放電方法。有關IEC 61000-4-2標準的詳細信息，請參考本博文。根據這個標準，IC必須承受至少4級的ESD威脅，即±8 kV的接觸放電和±15 kV的空氣放電。
圖2. 根據IEC 61000-4-2的8 kV接觸放電波形
ISO 10605
ISO 10605是由國際標準化組織（ISO）發佈的全球標準，詳細說明了評估汽車行業中使用的電子元件的ESD耐受性的測試方式。ISO 10605借鑒了IEC 61000-4-2作為處理系統環境ESD耐受性的基礎。它包括正極和負極測試、接觸和空氣放電方法，以及電阻-電容網路規格等要素。然而，這個標準引入了多個IEC 61000-4-2的偏差，特別適用於汽車應用。
圖3.系統環境的ISO 10605模擬線路
根據圖3所示，ISO 10605中的測試過程經由一個電容器及電阻，這與IEC 61000-4-2中使用的方式相似。在ISO 10605標準的測試中，使用兩個電阻，分別為330Ω和2000Ω，以模擬不同類型的ESD情景。330Ω的電阻模擬了人體通過金屬物體放電的情境，而2000Ω的電阻則模擬了人體直接通過皮膚放電的情況。此外，測試使用兩種不同的電容值：150pF和330pF。在處理從車內接觸車輛區域的人體接觸時，ISO 10605測試模擬器使用330pF的充電電容。對於只能從車輛外部接觸區域的人體接觸，使用150pF的電容。在這兩種情況下，可以根據所需的ESD情景選擇330Ω或2000Ω的電阻。通常，接觸放電的測試電壓在±2kV至±15kV之間，而空氣放電的測試電壓則在±2kV至±25kV之間。對於既能從車輛外部接觸又能從車內接觸的區域，同時使用生成器電容值和最大測試電壓分別為±15kV和±25kV。然而，需要注意的是，某些汽車製造商可能會制定其獨特的規格，特定組件可能需要以更高的耐受值進行測試。值得注意的是，使用330pF電容和330Ω電阻的測試配置代表ISO 10605所有測試參數中的能量和電流最高。表1總結了IEC 61000-4-2和ISO 10605標準的零件值的使用，圖4顯示了ISO 10605的接觸放電波形，當放電電阻為330Ω和2000Ω時，測試電壓為8kV。
表1. IEC 61000-4-2 和 ISO 10605 模擬器中使用的 RC 網絡參數
圖4. 根據ISO 10605的8kV接觸式放電波形：放電電阻330Ω（左），2000Ω（右）
IEC 61000-4-2 和 ISO 10605 之間的差異
現在我們了解了這兩個標準，讓我們總結一下它們之間的基本區別：
- 雖然IEC 61000-4-2和ISO 10605都涉及ESD測試，但它們的服務對象和目標電子系統不同。IEC 61000-4-2的範圍較廣，適用於各種電子產品，包括消費性電子產品、工業設備等。相反，ISO 10605定制了汽車行業，以滿足該行業獨特的ESD測試要求。製造商應根據其產品類別和預期用途選擇相關標準。
- IEC 61000-4-2模擬器使用330Ω和150pF的RC網路，而ISO 10605使用兩個330Ω和2000Ω的電阻器以及兩個150pF和330pF的電容器，提供四種可能的RC網路組合。
- 150pF/330Ω
- 150pF/2000Ω
- 330pF/330Ω
- 330pF/2000Ω
- IEC 61000-4-2建議的空氣放電測試電壓為±15kV。ISO 10605在零件在車內可接觸的情況下也提供了±15kV的空氣放電測試電壓。然而，如果測試零件在車外可接觸，則建議使用±25kV的空氣放電提高規格。然而，正如前面提到的，一些汽車製造商可能要求以更高的限制進行測試，高達±30kV。
- IEC 61000-4-2測試要求每秒重復放電二十次，而ISO 10605標準則規定每秒放電十次。
- 最後的區別在於在這兩個標準中如何接地測試設備（DUT）。在IEC 61000-4-2中，典型的接地方法是使用金屬接地平面或水平耦合平面（HCP）通過電阻帶與地面參考平面（GRP）建立電氣連接。相反，ISO 10605規定使用導電接地平面，基本上是水平耦合平面（HCP），通常由金屬或其他導電材料製成，以代表汽車底盤。DUT放置在這個水平耦合平面上，以模擬汽車中的電氣接地系統。
使用電路保護裝置進行ESD保護
透過在資料線或電源線上安裝瞬態電壓抑制（TVS）二極體，可以實現抵擋ESD功能。TVS二極體是固態二極體，經過工程設計，能夠迅速對電壓突波做出反應，將電壓限制在安全值之內，然後再進入電路，這一切在不到一個奈秒的時間內完成。在典型的操作情境下，TVS二極體對受保護的電路呈現高阻抗通道，有效地表現得像是一個斷路。然而，當發生瞬態事件時，TVS二極體迅速轉變為低阻抗狀態，將瞬態電流引開離電路，提供必要的保護。一旦ESD事件平息，TVS二極體又回復到高阻抗狀態，準備好進行後續的保護。
透過Semtech的TVS二極體，實現對汽車電子設備的保護
為了有效設計汽車系統，必須嚴格遵守IEC 61000-4-2標準的第4級和ISO 10605標準，同時獲得AEC-Q資格。此外，在大多數汽車應用中，包括具有側面可潤濕側翼side-wettable flanks的封裝已成為一個必要的要求。Semtech提供了一個多功能的高效和可信賴的TVS二極體系列，目的在滿足各種汽車需求和應用。通過全面的具有側面可潤濕側翼side-wettable flanks的封裝選擇，實現了完整的側面吃錫，簡化了自動光學檢測。Semtech的汽車TVS二極體符合嚴格的IEC 61000-4-2和ISO 10605 ESD標準，並提供低箝位電壓，顯著增強了抗干擾性。
現在讓我們來探討Semtech的兩款先進的TVS二極體，它們為車輛內的高速數據匯流排和其他通信接口提供強大的保護。
2-Wire Ethernet
隨著汽車功能不斷擴展，對傳輸速度的需求不斷增加，因此需要滿足這些乙太網路的需求。在實現高速接口（例如Ethernet）的系統時，在高度挑戰性的汽車環境中，確保足夠的ESD保護的穩定性變得相當重要。這能確保在瞬態事件干擾下仍能可靠運行。
圖5. RClamp10022PWQ的特點
Semtech的RClamp10022PWQ（見圖5）是一款為汽車乙太網接口提供ESD保護的2線解決方案。該元件提供30V的工作電壓和6A峰值脈沖電流，在此電流下的典型箝位電壓為28V。根據IEC 61000-4-2標準，RClamp10022PWQ提供±25kV（空氣）和±15kV（接觸）的ESD保護，根據ISO 10605標準提供±30kV（空氣）和±30kV（接觸）的瞬態保護（測試條件：150pF/330pF，2kΩ）。它在I/O引腳和GND之間僅有最大的結端電容為0.6pF。RClamp10022PWQ提供5引腳DFN封裝（2.0 x 1.0 x 0.55 mm）。RClamp10022PWQ專為汽車應用中的OPEN Alliance乙太網接口而設計，並經過AEC-Q100，1級和AEC-Q101的資格認證。
LVDS
低壓差分信號（LVDS）技術經常用於車輛內影像的高速傳輸。LVDS作為高速、長距離數據通信的數位接口，通常使用雙絞線電纜作為數據通信。通過LVDS接口實現的數據或圖像傳輸速率通常在650Mbps到1.3Gbps之間。由於是高速的傳輸，因此低的線對線電容ESD保護裝置是就相當重要。這是為了在傳輸數據或圖像時保持信號完整性。
圖 6. RClamp0534PWQ的特點
Semtech的RClamp®0534PWQ（見圖6）專門設計用於保護LVDS接口的高速差分線。它可以保護四條高速數據線，最大寄生電容為0.18pF。它的工作電壓為5V，額定的最大EOS峰值脈沖電流為4A（tp=8/20µs）。在峰值電流為4A時，典型的箝位電壓為4.3V。RClamp0534PWQ提供根據IEC 61000-4-2（ESD）規格的瞬態保護，±15kV（空氣）、±10kV（接觸）以及根據ISO 10605標準提供±20kV（空氣）、±10kV（接觸）的保護（測試條件：150pF/330pF，2kΩ）。它還與IEC 61000-4-4（40A EFT，5/50ns）和IEC 61000-4-5（雷擊4A，8/20µs）。RClamp0534PWQ提供10引腳DFN封裝（2.5 x 1.0 x 0.55mm），具有側面可潤濕側翼side-wettable flanks的封裝。該器件的通過式封裝設計簡化了PCB佈局，有助於保持信號完整性。
總結
這些僅是Semtech用於保護車輛內網路和接口的最先進的汽車TVS二極體的一些示範。然而，重要的是，當電路規格或數據傳輸速度發生變化時，選擇適當的TVS二極體的標準也會發生變化。為確保新設計中的電子元件完整被保護，建議探索Semtech的汽車保護產品組合。Semtech是全球眾多尖端汽車電子設備的主要TVS二極體製造商之一。在苛刻的汽車環境中，應謹慎設計並仔細選擇TVS二極體，以確保保護通信匯流排和接口的安全。
欲了解更多有關Semtech汽車產業產品的信息，請下載Semtech的汽車產品指南或線上參考Semtech汽車電路保護產品
FAQ
1.問：在選擇單向和雙向TVS保護元件之間，您應該如何做出決定呢？
單雙向TVS皆可保護正負的突波，主要為取決於訊號是否有正負的工作電壓，若有正負工作電壓的環境就需要使用雙向TVS，一般直流電或是只有正壓的訊號線可以使用單向或是雙向TVS皆可。
2.問：為什麼挑選靜電放電（ESD）保護元件的電容值重要？
TVS的半導體接合面會有寄生電容產生，若為DC直流環境，此電容影響是非常小的，但是應用於高速訊號線時，訊號在變化中電容會影響訊號的上升及下降波形，當波形變化太大對於接受端就會無法判別準位，因此需要選擇寄生電容小的TVS。
3.問：是否可以將多個靜電保護元件並聯或串連以提供更好的保護效果？
將多個靜電保護元件並聯使用（並聯保護）可以提供更好的保護效果。這是因為並聯保護會將靜電放電能量分散到多個保護元件，從而降低每個元件上的電壓，提高整體保護效率。相比之下，將多個靜電保護元件串聯使用（串聯保護）會增加串聯電阻並提高箝位電壓。這樣做可能會導致過多的電流落在被保護的元件上，從而降低了其保護能力，反而可能對敏感元件造成損害。
4.問：選擇保護元件時如何選TVS的工作電壓？
「Reverse Stand-Off Voltage」是指TVS（Transient Voltage Suppressor）保護元件的反向截止電壓。這是保護元件在正常工作狀態下可以承受的最大反向電壓，也就是它的反向偏壓。當電路中的反向電壓低於這個值時，保護元件不會導通，不會影響電路的正常運作。這個參數在選擇TVS保護元件時非常重要，特別是在應對過壓保護的情況下。選擇的反向耐壓電壓必須高於電路中可能出現的最大反向電壓，同時又不能太高，以避免影響正常操作。
例如，如果您的電路最大的反向電壓是12伏特，您可以選擇一個反向耐壓電壓稍高於12伏特的TVS保護元件。這樣，當出現一些小的反向過壓時，保護元件不會導通。然而，當出現超過12伏特的反向過壓時，保護元件會迅速導通，將多餘的電壓引導到地，防止過電壓對電路造成損害。總之，理解並選擇適當的TVS保護元件的反向耐壓電壓是確保電路在遭受反向過壓時能夠得到適當保護的重要一環。
5.問：如何選擇適合的靜電保護元件？
選擇適合的靜電保護元件需要考慮多個因素，以確保它能夠有效地保護您的電路免受靜電放電和過電壓的影響。以下是選擇靜電保護元件的一些建議步驟：
- 了解應用需求：首先，確定您的應用的需求。考慮您需要保護的工作環境，例如溼度的高低，使用的頻繁度等，都與需要保護的等級有關係。
- 確定保護位置：確定保護元件應該放置在電路中的哪個位置。通常情況下，保護元件應該位於電路接口處、輸入/輸出端口，以及敏感元件周圍。
- 選擇元件類型：靜電保護元件有多種類型，包括TVS二極管、Varistor、Gas Discharge Tube等。根據您的應用需求，選擇最適合的元件類型。
- 工作電壓範圍：根據您的應用的最大操作電壓，選擇具有適當工作電壓範圍的保護元件。
- 過電壓保護等級：選擇一個適當的過電壓保護等級，即保護元件導通時的電壓。這應該在不影響電路性能的情況下提供足夠的保護。
- 最大耐電流：確保保護元件可以承受可能的瞬態過電流。
- 反應速度： 不同的保護元件對過電壓的應對速度可能不同。根據您的應用，選擇適合的應對速度。
轉載於 Semtech Anindita Bhattacharya https://blog.semtech.com/esd-protection-of-automotive-interfaces
參考來源