詳解ESD標(biāo)準(zhǔn)在汽車電子設(shè)計中的重要性

在過去的十年中，汽車電子安全性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)隨著新技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了顯著的變化。過去常常被當(dāng)作可選項銷售的技術(shù)，包括電動門鎖、穩(wěn)定控制和防抱死制動，現(xiàn)在卻是大多數(shù)車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置。如今，那些被用于車道偏離警告、車載通信和夜視的汽車電子被認(rèn)為是創(chuàng)新的技術(shù)。

設(shè)計和制造上的這種現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變要求設(shè)計人員應(yīng)完全了解超出消費性電子產(chǎn)品保護(hù)要求的汽車認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求。然而，按照汽車標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計涉及多項技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，最前沿汽車電子產(chǎn)品中所使用的半導(dǎo)體依賴于市場上最新的集成電路(IC)技術(shù)。由于這些集成電路不斷變得更小而且更快，也因此更加容易受到靜電放電(ESD)的損害。此外，汽車環(huán)境的嚴(yán)酷性是以惡劣的電氣瞬變?yōu)闃?biāo)志的，在汽車認(rèn)證測試中也會對此進(jìn)行模擬(圖1)。

圖 1：需要考慮 ESD 防護(hù)的系統(tǒng)

本文探討了汽車標(biāo)準(zhǔn)、電路和解決方案的實際應(yīng)用，以幫助汽車電路設(shè)計人員創(chuàng)造出穩(wěn)健可靠的設(shè)計。首先，本文重點介紹了 ISO 10605 標(biāo)準(zhǔn)對 ESD 的測試要求與 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)對汽車市場中所用的分立半導(dǎo)體器件的測試要求。其次，討論了汽車中需要保護(hù)的最常見的電路類型。第三，針對多種汽車應(yīng)用確定了為確保安全性和可靠性應(yīng)該在設(shè)計階段早期予以實施的先進(jìn)的電路保護(hù)技術(shù)。

符合汽車測試標(biāo)準(zhǔn)

電路設(shè)計人員必須在他們先進(jìn)的汽車電子設(shè)計中考慮 ISO 10605 和 AEC-Q101 測試標(biāo)準(zhǔn)的要求，達(dá)到汽車市場要求的合格品質(zhì)。這些標(biāo)準(zhǔn)重點關(guān)注汽車中普遍存在的電氣和環(huán)境危害，以及所使用的分立半導(dǎo)體的可靠性。

ISO 10605

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用以評估為車輛而開發(fā)的電子模塊的 ESD 測試方法。這些模塊必須能夠管理由組裝、保養(yǎng)/維修以及操作所造成的電氣干擾。ISO 10605 增加了車輛專用的測試要求，相對于 IEC 61000-4-2 這一消費電子和電信的應(yīng)用級規(guī)范來說更進(jìn)一步。該標(biāo)準(zhǔn)要求制造商在比 IEC 標(biāo)準(zhǔn)更高的水平上去測試這些電子模塊，為汽車電路保護(hù)提供更為強大和可靠的標(biāo)準(zhǔn)。

對于 ISO 10605 標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性，每個電路和模塊在被安裝到車輛中之前必須進(jìn)行預(yù)先測試。一旦車輛組裝完畢，還必須再進(jìn)行測試以確保安全性和可靠性。因此，汽車內(nèi)部電子產(chǎn)品的每一層都需要先進(jìn)的電路保護(hù)以抵御汽車中常見的嚴(yán)酷的 ESD 瞬變。

AEC-Q101

本標(biāo)準(zhǔn)描述了確保汽車環(huán)境中基于半導(dǎo)體的組件的長期可靠性一系列認(rèn)證實驗。對于在車輛中增加 ESD 保護(hù)器件(如瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管和 TVS 二極管陣列)的汽車制造商來說，這些器件必須要漸漸的接收符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 10605 側(cè)重的是電氣危險，而 AEC-Q101 則是一項環(huán)保規(guī)范。符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的元件必須能夠應(yīng)對汽車環(huán)境的危害，包括熱沖擊和熱循環(huán)、極端溫度和高濕度。滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求能夠確保元件被安裝在車輛中之后不會因其自身固有的弱點而出現(xiàn)故障。

確定需要保護(hù)的汽車電路

汽車內(nèi)部的所有電路和元件均易受到電氣瞬變的侵害，無論其在車輛中所處的位置。下表列出了需要保護(hù)的五個最為常見的汽車電路：

1.傳統(tǒng)通信總線：作為最流行的通信總線標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)通信總線覆蓋了車內(nèi)電路的 50% 到 75%。

a.區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制器(CAN)：該標(biāo)準(zhǔn)允許微控制器和設(shè)備能夠在車內(nèi)進(jìn)行通信，而無需使用主機。它是專為汽車應(yīng)用而設(shè)計的基于消息的協(xié)議。CAN 系統(tǒng)可處理多種功能，從動力轉(zhuǎn)向到發(fā)動機計算機和變速箱之間的關(guān)鍵傳動系統(tǒng)通信。

b.局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)：LIN總線標(biāo)準(zhǔn)是用于車輛各組件之間通信的串行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。LIN 總線也可通過特殊的DC-LIN收發(fā)器在車輛的蓄電池電力線上使用，這也是當(dāng)今汽車界所常見的做法。LIN 系統(tǒng)能夠處理簡單的機電功能，如移動電動座椅和切換巡航控制。

CAN/LIN 總線是設(shè)計用于車內(nèi)控制和監(jiān)控功能的雙線通信總線。它們的線路有很大的可能性會暴露于瞬態(tài)浪涌，從而會導(dǎo)致未受保護(hù)的 CAN/LIN 收發(fā)器出現(xiàn)故障。圖2說明了 CAN 和 LIN 總線保護(hù)的實踐策略。

圖 2：CAN 和 LIN 總線保護(hù)原理圖

2.高速數(shù)字總線：USB/HDMI 端口支持車內(nèi)的消費者應(yīng)用軟件。例如，儀表板可能會設(shè)有一個 USB 端口，乘客可用它來為手機或平板電腦充電，或者在車內(nèi)播放音樂。HDMI 端口被用于車輛中的備份和前視攝像頭。不同于舊的攝像頭技術(shù)，這些高清機型采用更高圖像速率，運行時需要更高的數(shù)據(jù)速率。由于具有更快的吞吐率和更大的芯片靈敏度，這些端口要求有出色的信號完整性和系統(tǒng)可靠性。USB/HDMI 端口可能會因車內(nèi)相對較小的 ESD 事件和短路而損壞。

3.Wi-Fi 通信/SIM 插槽：這項技術(shù)使車輛能夠為乘客提供移動 3G 或 LTE 通信。SIM 卡模塊是將 LTE 轉(zhuǎn)換為 Wi-Fi 的電路的中間部分，使用戶能夠連接到手機、平板電腦和筆記本電腦。SIM 卡插槽需要 ESD 保護(hù)是因為在車內(nèi)安裝或更換模塊時它會受到人機交互的影響。

4.通信/廣播接收用的高頻天線：這項技術(shù)的支撐是短程射頻電路。這種電路能夠?qū)崿F(xiàn)車輛對車輛或車輛與道路的通信，這也是汽車市場中最熱的發(fā)展趨勢之一。這種網(wǎng)絡(luò)可以使汽車互相“看到”對方，并能在車輛之間進(jìn)行通信。與道路之間的通信有助于防止碰撞，實現(xiàn)職能交通系統(tǒng)。由于射頻放大器的前端對 ESD 非常敏感，因而應(yīng)使用雙向、低電容的 ESD 二極管。無偏置的射頻信號會在天線電路上生成正負(fù)極性的電壓。雙向二極管將能夠確保信號的負(fù)向部分不會被削減。

5.電源總線：這些總線的電壓在12 伏或更高，從而為車內(nèi)的電子模塊提供電力。在組裝或車輛運行過程中會使它們暴露于大量的 ESD 和浪涌瞬變之下。瞬變保護(hù)選項既有車內(nèi)深嵌模塊的簡單的 ESD 二極管，也有具有處理負(fù)載突降事件的高浪涌耐受的 TVS 二極管。

為汽車應(yīng)用選擇合適的電路保護(hù)解決方案

汽車電路設(shè)計人員可能很難找到高質(zhì)量的電路保護(hù)解決方案，因為有能力開發(fā)符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的公司對整個市場而言鳳毛麟角。在選擇電路保護(hù)器件的制造商時，重要的是要去核實公司的資質(zhì)，以確保它們能夠提供符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)要求以及其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)證實的高可靠性產(chǎn)品。該公司還應(yīng)沿襲產(chǎn)品設(shè)計上的最優(yōu)方法，并采用高品質(zhì)的制造工藝。

表1列出了在設(shè)計階段初期應(yīng)予以實施的一些電路保護(hù)解決方案。

表 1：各種汽車應(yīng)用電路保護(hù)解決方案的特點

結(jié)論

設(shè)計強大的汽車電子要求對大量存在于汽車環(huán)境中的環(huán)境和電氣隱患的管理進(jìn)行提前規(guī)劃。成功的設(shè)計始于對 ISO 10605 及 AEC-Q101 測試標(biāo)準(zhǔn)要求的理解。由于各個模塊以及整車會經(jīng)歷全面的可靠性測試，在電子設(shè)備的每一層均需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。電路設(shè)計人員還應(yīng)考慮需要保護(hù)的汽車電路的電氣脆弱性，尤其是那些涉及創(chuàng)新的通信和網(wǎng)絡(luò)的安全漏洞。在了解汽車測試標(biāo)準(zhǔn)和電路之后，設(shè)計人員便能夠為他們的應(yīng)用選擇最佳的電路解決方案。