保護汽車介面免受潛在 ESD 危害

保護汽車介面免受潛在 ESD 危害
當今的汽車處於技術進步的最前沿，擁有大量複雜的功能，例如自動駕駛功能、GPS 導航、透過藍牙進行的免持電話操作（由Apple CarPlayTM 和Android AutoTM 進一步增強）以及許多尖端功能，這些功能可提高汽車的性能。安全和舒適。 汽車添加的功能越多，使用的半導體元件就越多。 汽車應用中使用的半導體元件必須符合 AEC-Q 標準中概述的資格標準。 此國際標準規定了車載電子系統中使用的封裝積體電路和分立元件所需的資格。 隨著越來越多的介面用於高速訊號傳輸，汽車系統中添加了更多的半導體元件。

LVDS、GMSL、乙太網路和 USB 是現代車輛中常見的高速介面。 確保高速介面在惡劣的汽車環境中可靠運作的關鍵考慮因素是提供對電氣過應力 (EOS) 事件的強大保護。 EOS 損壞的主要原因之一是靜電放電 (ESD)。 保護電子元件免受 ESD 威脅，同時滿足現代車輛嚴格的安全性和可靠性標準變得越來越重要。 現在的問題是，汽車電子製造商應該遵循哪些ESD標準來確保符合安全性和可靠性要求？ 這篇部落格文章將深入探討兩個著名的 ESD 標準：用於系統級 ESD 測試的 IEC 61000-4-2 和用於與機動車輛內部或外部人體接觸相關的 ESD 測試的 ISO 10605。 最後，本部落格也將建議如何使用 ESD 保護元件來保護汽車電子產品。

IEC 61000-4-2

IEC 61000-4-2 是國際電工委員會 (IEC) 發布的全球公認的 ESD 標準，適用於最終用戶環境中系統級的任何電子應用。該標準採用的測試配置複製了帶電人體接觸積體電路 (IC) 的場景，隨後透過 IC 將潛在有害的 ESD 放電到地面。 IEC 61000-4-2 測試程序需要透過電阻器對電容器進行放電，有效模擬源自人體的 ESD 影響積體電路 (IC) 的場景。您可以參考圖 1 了解測試設定。測試配置涉及一個 150pF 電容器，電容器被充電至指定電壓並透過 330Ω 電阻器向組件引腳放電。

圖1.系統級IEC 61000-4-2模擬電路 

圖 2 顯示了符合 IEC 61000-4-2 的接觸放電波形。此波形的上升時間非常快，通常在 0.7 到 1 奈秒之間。在第一個峰值之後，出現一個較小的第二個峰值，然後波形衰減。 IEC 61000-4-2 標準包含四個級別，即 1 至 4 級。這些級別取決於兩個主要測試程序：接觸放電法和空氣排放法。 請參閱此部落格以了解 IEC 61000-4-2 標準的詳細資訊。 根據該標準，IC必須能夠承受至少4級ESD威脅，即±8 kV接觸放電和±15 kV空氣放電。

 

 圖 2. 8 kV 波形下的接觸放電波形（符合 IEC 61000-4-2） 

 

ISO 10605

ISO 10605 是國際標準化組織 (ISO) 發布的全球標準，概述了評估汽車產業所用電子元件的 ESD 耐受性的測試程序。 ISO 10605 以 IEC 61000-4-2 作為解決系統級 ESD 抗擾度的基礎。它包含正極性和負極性測試、接觸和空氣放電方法以及阻容網路規範等要素。然而，該標準與僅針對汽車應用而客製化的 IEC 61000-4-2 存在多個偏差。

 

 

圖3. 系統級ISO 10605模擬電路

 

ISO 10605 中的測試過程如圖 3 所示，涉及透過電阻器對電容器進行放電，這與 IEC 61000-4-2 中使用的程序相同。在 ISO 10605 標準測試中，使用兩個電阻（測量值 330Ω 和 2000Ω）來複製不同類型的 ESD 場景。 330Ω電阻模擬人體透過金屬物體放電，而2000Ω電阻則模擬人體直接透過皮膚放電的場景。此外，測試在兩個不同的電容值下進行：150pF 和 330pF。當處理只能從車輛內部訪問的車輛區域的人體接觸時，ISO 10605 測試模擬器中使用 330pF 的充電電容。對於只能從車輛外部存取的區域的人體觸摸，請使用 150pF 的電容。在這兩種情況下，人們都可以選擇 330Ω 或 2000Ω 的電阻，這取決於他們想要創建的 ESD 場景。通常，接觸放電的測試電壓範圍為±2kV至±15kV，氣隙放電的測試電壓範圍為±2kV至±25kV。如果可以從車輛外部和內部訪問區域，則值得分別使用發電機電容值以及 ±15kV 和 ±25kV 的最大測試電壓進行測試。然而，值得注意的是，某些汽車製造商可能會制定其獨特的規格，並且特定組件可能需要在更高的閾值下進行測試。值得注意的是，使用 330pF 電容和 330Ω 電阻的測試配置代表了所有 ISO 10605 測試參數中最高的能量和電流。表1總結了IEC 61000-4-2和ISO 10605標準中元件值的使用，圖4顯示了當放電電阻為330Ω和2000Ω時，按照ISO 10605在8kV下的接觸放電波形。

表 1. IEC 61000-4-2 和 ISO 10605 模擬器中使用的 RC 網路參數

圖 4. 依 ISO 10605 的 8kV 接觸放電波形：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，讓我們總結一下這兩個標準之間的基本差異：

• 儘管 IEC 61000-4-2 和 ISO 10605 都與 ESD 測試有關，但它們具有不同的目的並針對不同的電子系統。 IEC 61000-4-2適用範圍較廣，適用於各種電子產品，包括消費性電子、工業設備等。相比之下，ISO 10605 是為汽車行業量身定制的，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 網絡，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。當可從車輛內部接觸到被測部件時，ISO 10605 也提供 ±15kV 的空氣放電測試電壓。然而，如果可以從車輛外部接觸到被測部件，則建議空氣放電的嚴酷等級為±25kV。然而，如前所述，一些汽車製造商可能要求在更高的限值下進行測試，高達 ±30kV。
• IEC 61000-4-2 測試需要每秒 20 次放電的重複率，而 ISO 10605 標準則要求每秒 10 次放電。
• 最後一個差異在於兩種標準中被測設備 (DUT) 的接地方式。在 IEC 61000-4-2 中，典型的接地方法涉及使用金屬接地面或水平耦合面 (HCP) 透過電阻帶與接地參考面 (GRP) 建立電氣連接。相較之下，ISO 10605 指定使用導電接地面，它基本上是水平耦合面 (HCP)，通常由金屬或其他導電材料製成，代表車輛的底盤。 DUT 位於此水平耦合平面上，以模擬車輛中的電氣接地系統。 

使用電路保護元件進行 ESD 保護

透過在資料線上或電源線上放置瞬態電壓抑制 (TVS) 二極體，可以實現 ESD 屏蔽。 TVS 二極體是固態二極體，設計用於快速響應電壓突波，在電壓進入電路之前將電壓箝位到預定水平，這一切都在不到一納秒的時間內完成。在典型的操作場景中，TVS 二極體為受保護電路提供了一條高阻抗路徑，實際上表現為開路。然而，當發生瞬態事件時，TVS 二極體會迅速轉變為低阻抗狀態，將瞬態電流重新引導離開電路並提供必要的保護。一旦 ESD 事件平息，TVS 二極體就會恢復到高阻抗狀態，為後續保護做好準備。

使用 Semtech 的 TVS 二極體保護汽車電子產品

為了有效設計汽車系統，必須遵守 4 級 IEC 61000-4-2 和 ISO 10605 標準，並獲得 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面的封裝已成為一項基本要求。 Semtech 提供多功能產品組合高效且值得信賴的 TVS 二極管，旨在滿足各種汽車需求和應用。透過全面選擇具有可潤濕側面的封裝，可以促進無縫集成，從而簡化自動光學檢測。 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，從而顯著增強抗擾度。

讓我們探索 Semtech 的兩款先進 TVS 二極體，它們為高速資料匯流排和車輛內的其他通訊介面提供強大的保護。