詳解ESD標(biāo)準(zhǔn)在汽車電子設(shè)計(jì)中的重要性

在過(guò)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(guò)去常常被當(dāng)作可選項(xiàng)銷售的技術(shù)，包括電動(dòng)門鎖、穩(wěn)定控制和防抱死制動(dòng)，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(jì)和制造上的這種現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)完全了解超出消費(fèi)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(jì)涉及多項(xiàng)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(chǎng)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(cè)試中也會(huì)對(duì)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(shí)際應(yīng)用，以幫助汽車電路設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造出穩(wěn)健可靠的設(shè)計(jì)。首先，本文重點(diǎn)介紹了 ISO 10605 標(biāo)準(zhǔn)對(duì) ESD 的測(cè)試要求與 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車市場(chǎng)中所用的分立半導(dǎo)體器件的測(cè)試要求。其次，討論了汽車中需要保護(hù)的最常見(jiàn)的電路類型。第三，針對(duì)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(jì)階段早期予以實(shí)施的先進(jìn)的電路保護(hù)技術(shù)。

符合汽車測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

電路設(shè)計(jì)人員必須在他們先進(jìn)的汽車電子設(shè)計(jì)中考慮 ISO 10605 和 AEC-Q101 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，達(dá)到汽車市場(chǎng)要求的合格品質(zhì)。這些標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)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(píng)估為車輛而開(kāi)發(fā)的電子模塊的 ESD 測(cè)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(cè)試要求，相對(duì)于 IEC 61000-4-2 這一消費(fèi)電子和電信的應(yīng)用級(jí)規(guī)范來(lái)說(shuō)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(cè)試這些電子模塊，為汽車電路保護(hù)提供更為強(qiáng)大和可靠的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于 ISO 10605 標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性，每個(gè)電路和模塊在被安裝到車輛中之前必須進(jìn)行預(yù)先測(cè)試。一旦車輛組裝完畢，還必須再進(jìn)行測(cè)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(jiàn)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(zhǎng)期可靠性一系列認(rèn)證實(shí)驗(yàn)。對(duì)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(lái)說(shuō)，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(xiǎn)，而 AEC-Q101 則是一項(xiàng)環(huán)保規(guī)范。符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的元件必須能夠應(yīng)對(duì)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(huì)因其自身固有的弱點(diǎn)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(wú)論其在車輛中所處的位置。下表列出了需要保護(hù)的五個(gè)最為常見(jiàn)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(wú)需使用主機(jī)。它是專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的基于消息的協(xié)議。CAN 系統(tǒng)可處理多種功能，從動(dòng)力轉(zhuǎn)向到發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)和變速箱之間的關(guān)鍵傳動(dòng)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(guò)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(jiàn)的做法。LIN 系統(tǒng)能夠處理簡(jiǎn)單的機(jī)電功能，如移動(dòng)電動(dòng)座椅和切換巡航控制。

CAN/LIN 總線是設(shè)計(jì)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(huì)暴露于瞬態(tài)浪涌，從而會(huì)導(dǎo)致未受保護(hù)的 CAN/LIN 收發(fā)器出現(xiàn)故障。圖2說(shuō)明了 CAN 和 LIN 總線保護(hù)的實(shí)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(fèi)者應(yīng)用軟件。例如，儀表板可能會(huì)設(shè)有一個(gè) USB 端口，乘客可用它來(lái)為手機(jī)或平板電腦充電，或者在車內(nèi)播放音樂(lè)。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(jī)型采用更高圖像速率，運(yùn)行時(shí)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(hào)完整性和系統(tǒng)可靠性。USB/HDMI 端口可能會(huì)因車內(nèi)相對(duì)較小的 ESD 事件和短路而損壞。

3.Wi-Fi 通信/SIM 插槽：這項(xiàng)技術(shù)使車輛能夠?yàn)槌丝吞峁┮苿?dòng) 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(jī)、平板電腦和筆記本電腦。SIM 卡插槽需要 ESD 保護(hù)是因?yàn)樵谲噧?nèi)安裝或更換模塊時(shí)它會(huì)受到人機(jī)交互的影響。

4.通信/廣播接收用的高頻天線：這項(xiàng)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(duì)車輛或車輛與道路的通信，這也是汽車市場(chǎng)中最熱的發(fā)展趨勢(shì)之一。這種網(wǎng)絡(luò)可以使汽車互相“看到”對(duì)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(shí)現(xiàn)職能交通系統(tǒng)。由于射頻放大器的前端對(duì) ESD 非常敏感，因而應(yīng)使用雙向、低電容的 ESD 二極管。無(wú)偏置的射頻信號(hào)會(huì)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(hào)的負(fù)向部分不會(huì)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(yùn)行過(guò)程中會(huì)使它們暴露于大量的 ESD 和浪涌瞬變之下。瞬變保護(hù)選項(xiàng)既有車內(nèi)深嵌模塊的簡(jiǎn)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(jì)人員可能很難找到高質(zhì)量的電路保護(hù)解決方案，因?yàn)橛心芰﹂_(kāi)發(fā)符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的公司對(duì)整個(gè)市場(chǎng)而言鳳毛麟角。在選擇電路保護(hù)器件的制造商時(shí)，重要的是要去核實(shí)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(shí)的高可靠性產(chǎn)品。該公司還應(yīng)沿襲產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)階段初期應(yīng)予以實(shí)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(diǎn)

結(jié)論

設(shè)計(jì)強(qiáng)大的汽車電子要求對(duì)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(jì)始于對(duì) ISO 10605 及 AEC-Q101 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的理解。由于各個(gè)模塊以及整車會(huì)經(jīng)歷全面的可靠性測(cè)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(jì)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和電路之后，設(shè)計(jì)人員便能夠?yàn)樗麄兊膽?yīng)用選擇最佳的電路解決方案。