《电子技术应用》

了解ESD标准在汽车电子设计中的重要性

2017/7/15 17:08:00

  在过去的十年中,汽车电子安全性和可靠性标准随着新技术的发展发生了显著的变化。过去常常被当作可选项销售的技术,包括电动门锁、稳定控制和防抱死制动,现在却是大多数车辆的标准配置。如今,那些被用于车道偏离警告、车载通信和夜视的汽车电子被认为是创新的技术。

  设计和制造上的这种现代化转变要求设计人员应完全了解超出消费性电子产品保护要求的汽车认证标准的要求。然而,按照汽车标准的设计涉及多项技术挑战。例如,最前沿汽车电子产品中所使用的半导体依赖于市场上最新的集成电路(IC)技术。由于这些集成电路不断变得更小而且更快,也因此更加容易受到静电放电(ESD)的损害。此外,汽车环境的严酷性是以恶劣的电气瞬变为标志的,在汽车认证测试中也会对此进行模拟(图1)。

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  图 1:需要考虑 ESD 防护的系统。

  本文探讨了汽车标准、电路和解决方案的实际应用,以帮助汽车电路设计人员创造出稳健可靠的设计。首先,本文重点介绍了 ISO 10605 标准对 ESD 的测试要求与 AEC-Q101 标准对汽车市场中所用的分立半导体器件的测试要求。其次,讨论了汽车中需要保护的最常见的电路类型。第三,针对多种汽车应用确定了为确保安全性和可靠性应该在设计阶段早期予以实施的先进的电路保护技术。

  符合汽车测试标准

  电路设计人员必须在他们先进的汽车电子设计中考虑 ISO 10605 和 AEC-Q101 测试标准的要求,达到汽车市场要求的合格品质。这些标准重点关注汽车中普遍存在的电气和环境危害,以及所使用的分立半导体的可靠性。

  ISO 10605

  本标准规定了用以评估为车辆而开发的电子模块的 ESD 测试方法。这些模块必须能够管理由组装、保养/维修以及操作所造成的电气干扰。ISO 10605 增加了车辆专用的测试要求,相对于 IEC 61000-4-2 这一消费电子和电信的应用级规范来说更进一步。该标准要求制造商在比 IEC 标准更高的水平上去测试这些电子模块,为汽车电路保护提供更为强大和可靠的标准。

  对于 ISO 10605 标准的合规性,每个电路和模块在被安装到车辆中之前必须进行预先测试。一旦车辆组装完毕,还必须再进行测试以确保安全性和可靠性。因此,汽车内部电子产品的每一层都需要先进的电路保护以抵御汽车中常见的严酷的 ESD 瞬变。

  AEC-Q101

  本标准描述了确保汽车环境中基于半导体的组件的长期可靠性一系列认证实验。对于在车辆中增加 ESD 保护器件(如瞬态电压抑制(TVS)二极管和 TVS 二极管阵列)的汽车制造商来说,这些器件必须要渐渐的接收符合 AEC-Q101 标准。

  ISO 10605 侧重的是电气危险,而 AEC-Q101 则是一项环保规范。符合 AEC-Q101 标准的元件必须能够应对汽车环境的危害,包括热冲击和热循环、极端温度和高湿度。满足该标准的要求能够确保元件被安装在车辆中之后不会因其自身固有的弱点而出现故障。

  确定需要保护的汽车电路

  汽车内部的所有电路和元件均易受到电气瞬变的侵害,无论其在车辆中所处的位置。下表列出了需要保护的五个最为常见的汽车电路:

  1.传统通信总线:作为最流行的通信总线标准,传统通信总线覆盖了车内电路的 50% 到 75%。

  a.区域网络控制器(CAN):该标准允许微控制器和设备能够在车内进行通信,而无需使用主机。它是专为汽车应用而设计的基于消息的协议。CAN 系统可处理多种功能,从动力转向到发动机计算机和变速箱之间的关键传动系统通信。

  b.局域互联网络(LIN):LIN总线标准是用于车辆各组件之间通信的串行网络协议。LIN 总线也可通过特殊的DC-LIN收发器在车辆的蓄电池电力线上使用,这也是当今汽车界所常见的做法。LIN 系统能够处理简单的机电功能,如移动电动座椅和切换巡航控制。

  CAN/LIN 总线是设计用于车内控制和监控功能的双线通信总线。它们的线路有很大的可能性会暴露于瞬态浪涌,从而会导致未受保护的 CAN/LIN 收发器出现故障。图2说明了 CAN 和 LIN 总线保护的实践策略,力特公司 SM24CANA TVS 二极管阵列可保护 CAN 总线并提供市场领先的钳位保护(图3)。

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  图 2:CAN 和 LIN 总线保护原理图。

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  图 3:力特公司 SM24CANA TVS 二极管阵列可保护 CAN 总线并提供市场领先的钳位保护。

  2.高速数字总线:USB/HDMI 端口支持车内的消费者应用软件。例如,仪表板可能会设有一个 USB 端口,乘客可用它来为手机或平板电脑充电,或者在车内播放音乐。HDMI 端口被用于车辆中的备份和前视摄像头。不同于旧的摄像头技术,这些高清机型采用更高图像速率,运行时需要更高的数据速率。由于具有更快的吞吐率和更大的芯片灵敏度,这些端口要求有出色的信号完整性和系统可靠性。USB/HDMI 端口可能会因车内相对较小的 ESD 事件和短路而损坏。

  3.Wi-Fi 通信/SIM 插槽:这项技术使车辆能够为乘客提供移动 3G 或 LTE 通信。SIM 卡模块是将 LTE 转换为 Wi-Fi 的电路的中间部分,使用户能够连接到手机、平板电脑和笔记本电脑。SIM 卡插槽需要 ESD 保护是因为在车内安装或更换模块时它会受到人机交互的影响。

  4.通信/广播接收用的高频天线:这项技术的支撑是短程射频电路。这种电路能够实现车辆对车辆或车辆与道路的通信,这也是汽车市场中最热的发展趋势之一。这种网络可以使汽车互相“看到”对方,并能在车辆之间进行通信。与道路之间的通信有助于防止碰撞,实现职能交通系统。由于射频放大器的前端对 ESD 非常敏感,因而应使用双向、低电容的 ESD 二极管。无偏置的射频信号会在天线电路上生成正负极性的电压。双向二极管将能够确保信号的负向部分不会被削减。

  5.电源总线:这些总线的电压在 12 伏或更高,从而为车内的电子模块提供电力。在组装或车辆运行过程中会使它们暴露于大量的 ESD 和浪涌瞬变之下。瞬变保护选项既有车内深嵌模块的简单的 ESD 二极管,也有具有处理负载突降事件的高浪涌耐受的 TVS 二极管。

  为汽车应用选择合适的电路保护解决方案

  汽车电路设计人员可能很难找到高质量的电路保护解决方案,因为有能力开发符合 AEC-Q101 标准的产品的公司对整个市场而言凤毛麟角。在选择电路保护器件的制造商时,重要的是要去核实公司的资质,以确保它们能够提供符合 AEC-Q101 标准要求以及其他行业标准的经证实的高可靠性产品。该公司还应沿袭产品设计上的最优方法,并采用高品质的制造工艺。

  表1列出了在设计阶段初期应予以实施的一些电路保护解决方案。力特公司 TPSMA6L 系列 TVS 二极管在小尺寸封装中具有出色的电气表现(图4)。

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  表 1:各种汽车应用电路保护解决方案的特点。

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  图 4:力特公司 TPSMA6L 系列 TVS 二极管在小尺寸封装中具有出色的电气表现。

  结论

  设计强大的汽车电子要求对大量存在于汽车环境中的环境和电气隐患的管理进行提前规划。成功的设计始于对 ISO 10605 及 AEC-Q101 测试标准要求的理解。由于各个模块以及整车会经历全面的可靠性测试,在电子设备的每一层均需要适当的保护。电路设计人员还应考虑需要保护的汽车电路的电气脆弱性,尤其是那些涉及创新的通信和网络的安全漏洞。在了解汽车测试标准和电路之后,设计人员便能够为他们的应用选择最佳的电路解决方案。



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