静电防护器件于车载智能终端的应用

摘 要: 全球汽车在电子化程度越来越高的需求下，每个电子单元在完成单部件后都需通过电磁兼容测试，针对零部件的要求大部分来自车企、国家政府或是国际法规。故设计时适当的考虑放置静电保护器件于主芯片周围或是对外在干扰能量较敏感的接口，是通过电磁兼容测试的关键方法。

1 静电防护器件的参数

        正确选择静电保护器件于电路中，可增加电子产品的信赖度与鲁棒性。由于每个静电保护器件都有细微的参数差异，故选择时除了注意保护器件须满足相关的电磁兼容测试法规外，在规格书中有以下参数可评估来正确密合自己的电路防护规格，例如：箝制电压（Clamping Voltage）、寄生电容（CIN）、单向双向保护和保护器件的工作电压及反向漏电流。

2 重要参数

2.1箝制电压(Clamping Voltage)

        箝制电压参数需要低于整个被保护系统的额定电压，此参数可透过传输线触波产生器 (Transmission Lin Pulsing System，TLP)测量出TVS保护器件在短时间、高电压电磁波触发行为下的电压-电流特性曲线(I-V Characteristic Curve)。晶焱科技提供针对CAN总线CANH与CANL的保护器件AZ9424-02S，满足AEC-Q101资质。图1为AZ9424-02S的TLP测试曲线，表示当器件承受IEC 61000-4-2 +8kV的静电(Contact mode)能量下，可将电压箝制在31V进而对后端的电路达到保护(TLP条件: Z0=50ohm, tp=100ns, tr=1ns)。

图 1

2.2寄生电容(C_IN)

        静电防护器件是与讯号线并联使用，故保护器件的寄生电容(C_IN)会对讯号传输质量达到一定程度影响，下表1提供高速讯号与寄生电容规格选择建议。在确保信号完整性方面可透过眼图 (Eye diagram) 测量来判断讯号质量影响程度。AZ9143-04F是一款支持四路讯号并且拥有低的寄生电容(C_IN = 0.45pF@1MHz )的数组器件，可广泛应用于HDMI 2.0或USB 3.0高速界面且符合AEC-Q101资质。如图2，AZ9143-04F其低寄生电容的特性可满足USB 3.0眼图测量规格。

表 1

图2

2.3 TVS单向与双向保护

        在广泛的应用环境中，保护器件有分单向与双向的类型。单向类型的应用譬如在电源端口是参考单向保护器件为首要考虑，因电源在参考地为基准的某个电压范围，如参考地以上为正压而参考地以下则为负压。但有些设计也会因要通过部分电磁兼容法规，而刻意选用双向保护于电源端口。双向保护类型多应用于信号端口(GPIO)或是通讯接口，若信号有意义的特征电压只维持在正电压或是负电压位准，则可考虑单向类型。若信号有意义的特征电压同时维持在正压与负压间，则一定要选择双向保护类型。可参考下图3示意。

图 3

2.4 TVS的工作电压V_RWM与反向漏电流I_LEAK

        防护器件的工作电压在规格书普遍标示为V_RWM (Reverse Work Max Voltage)，其表示当操作在此电压范围内的防护器件呈现高阻抗状态，系统上的任何讯号传输将不会受保护器件所影响。除了正确选择器件的工作电压外，器件本身若有低的反向漏电流(Reverse Leakage Current, I_LEAK)特性则也适合应用在新能源汽车。如表2中AZ9716-01F的I_LEAK参数所示。

表 2

3 车载智能终端 (Telematics BOX, T-Box)

        车载智能终端是作为车内与外界进行讯息交换的网关，实现汽车与车联网服务平台间的通讯。图4显示车载智能终端的部分应用架构，其中晶焱科技除了有静电防护器件外，也提供自身带有高静电防护(IEC 61000-4-2)与浪涌防护(IEC 61000-4-5)能力的界面收发器，如RS-232, RS485与CAN总线。也可提供相关接口的静电保护器件，透过器件拥有的低箝制电压与低寄生电容技术能力使产品达到高信赖度与讯号完整性。

图4

        为保证车载终端产品在数据采集过程中，不与其他电子单元相互干扰或受异常能量耦合而造成数据准确性与完整性遭破坏，除了基本电气性能试验须满足外，电磁兼容试验更是应该严格检测并且依据实际产品应用环境不同而调整测试的等级。在国家建议标准GB/T 32960.2 电动汽车远程服务与管理系统技术规范 第二部分 : 车载终端中提到电磁兼容性试验项目，因电子化程度不同，车企通常会自定义项目与不同等级的试验电压。图5列出国家建议标准的参考测试项目。

图5

3.1沿电源线的电瞬态传导抗扰度

        沿电源线的电瞬态传导抗扰度试验是参照GB/T 21437.2-2008方法进行，对其1，2a波型必须满足5000个以上的脉冲试验，而3a与3b脉冲试验时间为１小时。对此晶焱科技提供AZ9824-01F其DFN封装适用于LIN总线的保护，满足车规资质外更提供高于建议标准的应用。 在图6与图7分别显示AZ9824-01F在第三方实验室的ISO 7637单体实验结果，在DCC (Direct  Capacitive Coupling, 直接电容耦合)模式下可通过Pulse 3a&3b达±600V，且此规格高于GB/T 32960的建议标准。

图 6

图 7

3.２静电放电抗扰试验

        静电放电抗扰度试验是按照GB/T 19951-2005进行，试验过程中并不对待测物通电，测试的位置则是安装操作员容易碰触的表面或是特定点进行放电实验。晶焱科技提供分别对应不同应用的保护组件，参考如图4。 在电源区块可对应最高的电压范围至36V，在主芯片核心电压1.8V的静电放电保护器件。储存端口如SD卡或是USB接口有阵列式设计的应用达到缩减空间需求。另外,在针对无线模块如WiFi, GPS或BLE会使用到的天线保护，则有单通道低寄生电容 ~0.45pF的产品，如AZ9565-01F。表３提供应用在不同接口产品参数。 在CAN总线通讯保护方面可采用AZ9424-02S对应，静电保护(IEC 61000-4-2)能力高达±30kV并可防护浪涌(IEC 61000-4-5)能量达6A (8/20μs) 。

表 3

4小结

        晶焱科技提供符合AEC-Q101的静电保护器件，其优异的低箝制电压与低寄生电容参数可广泛应用在车载通讯接口与内部电路进行保护进而增加产品信赖度。除了静电保护器件外，还有符合AEC-Q100资质的CAN总线收发器AZCAN1042T，满足ISO 11898-2:2016 CAN FD达2Mbps。晶焱科技的产品涵盖多种汽车领域应用环境，本文是针对静电保护器件于车载终端应用举例，若有相关问题可与当地技术人员讨论。