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深入理解汽车电子的ESD之元器件篇

2020-03-25 高杨 阅读:
正确理解ESD的内容对于汽车电子设计是非常有帮助的,本文仅就ESD元器件的以下内容展开讨论:(1) 数据手册参数解读;(2) ESD执行的标准;(3) ESD测试标准。

ESD是静电放电的简称。在汽车电子领域,ESD从元器件、模块到系统这三个方面,从引用标准、参数模型以及测试标准均有不同范畴和定义。错误的理解会导致错误的电路设计和设计试验验证,最终导致产品不合格。wxnednc

正确理解ESD的内容对于汽车电子设计是非常有帮助的,本文仅就ESD元器件的以下内容展开讨论:wxnednc

(1) 数据手册参数解读;wxnednc

(2) ESD执行的标准;wxnednc

(3) ESD测试标准。wxnednc

图1:TJA1040(NXP公司)中关于ESD的参数描述。wxnednc

(1) 数据手册参数解读

由于CAN是系统与外部电路的接口,因此本文用CAN收发器来举例。从1可以看到,ESD的参数在数据手册中会出现二种表示:一种是人体模型(HBM),另外一种是机器模型(MM)。从1中可以得知CANH、CANL以及SPLIT这3个PIN脚对于HBM的耐压等级是±6kV;其余PIN脚(Vcc、STB、RTD、TXD、GND)都是±4kV(见图2)。这样的设计是有原因的:了解电路设计原理的都知道,CANH、CANL和SPLIT这3个PIN脚在实际电路中最后连接的都是控制器的连接器,在产品验证试验的ESD试验中会直接耐受不同的ESD(需要和ESD保护电路一起工作);这3个PIN脚对于芯片来说属于对“外”的PIN脚,因而ESD的耐压等级需要比对“内”PIN脚高,此处高出了2kV。再来看机器模型参数,所有的PIN脚都是±200V。这是由于机器模型测试针对的是整个元器件,因此不需要区分对“内”还是对“外”的耐压等级。wxnednc

图2:TJA1040(NXP公司)的PIN脚图。wxnednc

(2) ESD执行的标准

1还可以看到,在Human Body Model(HBM)后面有个note 1,这个注释就是在解释HBM所引用的测试标准。同样,Machine Model(MM)后面有个note 2。需要注意的是,标准=模型+测试值+测试流程,只是表述HBM ±6kV并不严谨,更准切的表达是JEDEC JESD 22-A114 HBM标准(JEDEC JESD 22是Reliability Test Methods for Packaged Devices的标准)(R=1500Ω,C=100 pF,见图3)。参数手册中为了严谨的表述,需要有个note 1来约束此处对于测试值的定义。同理,MM更准切的表达可参照JEDEC JESD 22-A115。wxnednc

图3:ESD中使用的人体模型。wxnednc

(3) ESD测试标准

AEC-Q100是对汽车电子元器件执行的标准。应用在汽车电子控制器中的元器件都需要通过AEC-Q100的认证,才可以被运用到汽车电子的设计中去。wxnednc

AEC-Q100中对于ESD的测试标准,AEC-Q100-002和AEC-Q100-003,分别定义了HBM和MM的测试项和内容(见4)。wxnednc

图4:AEC-Q100附件中ESD的测试内容。wxnednc

在AEC-Q100标准的TEST GROUP E – ELECTRICAL VERIFICATION TESTS电器特性确认测试中具体描述了对于ESD的测试项(包括测试样品的数量、样品的批次、接受标准、测试方法以及附加需求)。wxnednc

图5:AEC-Q100中“TEST GROUP E – ELECTRICAL VERIFICATION TESTS”电器特性确认测试的表格。wxnednc

图5的接受条件可以看到,AEC-Q100中对于ESD零缺陷的接受标准是HBM 2kV或者更高,MM是200V或者更高。按照公式“标准=模型+测试值+测试流程”,下面用HBM来具体说明。此处的模型是指HBM,测试值是R=1500Ω,C=100pF(见3),测试流程是JEDEC JESD 22-A114。测试流程是按照以下的步骤来进行的:测试电源PIN脚和非电源PIN脚每次是按照在测试电压等级下以一个正脉冲和一个负脉冲交替的方式进行的;测试电压中500V、1kV、2kV和4kV是必须的,其他的测试电压根据实际的设计需求来执行。限于本文篇幅,对于JEDEC JESD 22-A114的具体内容,读者可以自己去研读。wxnednc

以上通过对数据手册参数解读、执行的标准以及测试标准三个主题的讨论,全方位地阐述了对于元器件这个层面上ESD的内容。有了这些基础理解和掌握,就能对后续的汽车电子中控制器ESD保护电路的设计以及设计验证试验等内容做好技术准备。wxnednc

本文为《电子技术设计》2020年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里wxnednc

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高杨
近20年在汽车电子TOP10公司经验,特别是在车载控制器领域(多媒体、车身、驾驶辅助及VCU)。曾任职博世汽车专家级工程师,超过10年在汽车零部件(博世和大陆汽车),5+年汽车半导体(德州仪器和英飞凌),历任多种资深(系统、设计、产品)工程师职务。丰富的平台开发(从0到1)及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师,定义和开发了德州仪器(TI)第一款智能高边驱动器(TPS1H100-Q1),填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件,可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中,满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板(45+篇),硬件设计评审和检查清单模板(50+篇)。 企业内训师认证(TTT) ,超过2500页汽车电子设计培训内容PPT,满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求,目前在4家企业内部实施过培训,收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利(截止2019年12月)。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者ednchina.com/author/gaoyang
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