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深入理解汽车电子的ESD之控制器篇

2020-05-21 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之控制器的以下内容展开讨论:控制器ESD测试项需求解读;ESD保护电路设计要点;ESD测试标准。

ESD是静电放电的简称。在汽车电子领域,ESD在元器件、模块和系统这三个方面,从引用标准、参数模型到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。Mhnednc

《如何设计符合整车厂要求的CAN物理层接口电路》以及《如何设计符合整车厂要求的LIN物理层接口电路》中有多处提到ESD的保护。在原文中只是给出了具体的数值参考,限于篇幅并没有具体解释为何去设计以及设计的依据,在此篇中就会讨论这部分内容。Mhnednc

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之控制器的以下内容展开讨论:Mhnednc

(1)控制器ESD测试项需求解读;Mhnednc

(2)ESD保护电路设计要点;Mhnednc

(3)ESD测试标准。Mhnednc

Mhnednc

图1:控制器ESD测试项需求。Mhnednc

(1)控制器ESD测试项需求解读

图1可以看到,控制器ESD测试会出现两大类的测试:通电状态和不通电状态。在两大类测试下又细分为两种:接触放电和空气放电。在本例中,接触放电从±4kV一直到±8kV,对选取的接触放电点做3次。空气放电从±4kV到±15kV,对选取的空气放电点做3次。测试项需求还定义了ESD的受试部位,用来约束试验的可操作性和实施性。判定通过的标准是当实验结束后,控制器工作正常(功能等级A状态,ISO-16750-1中对功能等级的定义)。Mhnednc

(2)ESD保护电路设计要点

图1可以看到,对于从±4kV到±15kV的ESD都需要在试验撤销后恢复到正常状态,这就需要对控制器的内部电路进行ESD保护,从而确保内部电路在接受试验电压时不损坏。下面还是以带有齐纳二极管的CAN接口电路来理解ESD的电路保护设计要点。Mhnednc

Mhnednc

图2:带有齐纳二极管的CAN接口电路。Mhnednc

图2所示,C2、C3这两个电容在这里是作为ESD的保护电容来工作的。需要选择容值在100pF±10%、额定工作电压>50V的电容。还需要注意的是,在PCB布线的时候,C2、C3必须尽可能地靠近连接器(小于10mm),这样才有更好的ESD保护效果。Mhnednc

Z1、Z2这两个齐纳二极管同样是起到ESD保护的作用。需要选用击穿电压在27V的齐纳二极管,这样才可以使外部的高电压在经过齐纳二极管到达CAN_H和CAN_L的引脚电压时不至于击穿CAN收发器。以TJA1054A(NXP公司)为例,数据手册(见3)中显示CAN_H和CAN_L的最大值耐受电压为+40V,最小值耐受电压为-27V,这也就是要用双向的齐纳二极管将外部电压钳位在±27V之间的原因。还需要注意的是,在PCB布线的时候,Z1、Z2必须尽可能靠近连接器(小于10mm),这样才有更好的ESD保护效果。Mhnednc

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图3:TJA1054A(NXP公司)数据手册中的快速参考数据。Mhnednc

Mhnednc

图4:汽车控制器模块中ESD保护设计的例子(接触放电)。Mhnednc

在设计汽车控制器关于ESD保护部分的电路时,对于接触放电试验时到达控制器内部的电压来说,不能超过内部电路(一般是IC的引脚)的击穿电压。图3中的例子是最大耐受电压为+40V,最小耐受电压为-27V。若以系统级的ESD测试电压±15kV为例——ISO-10605(“Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge”)中接触放电中测试电压最高的电压等级为±15kV——来设计ESD保护电容值的选取,根据电容元件储存电荷公式Q=C·U,则图4中红色箭头所指示的Cprotection的计算公式为:Mhnednc

Cprotection=(Cgun/Vbr_ESD)·VgunMhnednc

                =(330pF/40V)·15kVMhnednc

                =110nFMhnednc

式中:Mhnednc

Cgun=330pF,为ESD测试枪的储存电容;Mhnednc

Vbr_ESD=40V,为TJA1054A的最大耐受电压(见3);Mhnednc

Vgun=15,000V,为ISO-10605中接触电压的测试等级。Mhnednc

计算出的Cprotection=110nF。最后依据工程实际,选取Cprotection为100nF、工作电压>50V的MLCC电容。需要特别注意的是:这个例子只是在低速电路的ESD保护电路设计中适用,对于高速电路(例如CAN、USB接口等)则不能采用此种设计所计算出来的值,原因是在高速电路中,电容的容抗随着频率的增加而成反比。按照阻抗的公式:Mhnednc

Xc=1/2·π·f·CMhnednc

式中:Mhnednc

f=1MHz,为CAN的传输通信速度;Mhnednc

C100pF =100pF,为C2、C3的电容值(见2);Mhnednc

Cprotection=100nF,为Cprotection的电容值(见4);Mhnednc

X100pF=1592Ω(100 pF的容抗值);Mhnednc

X100nf=1.592Ω(100 nF的容抗值)。Mhnednc

这样就可以理解在图2中为什么C2、C3虽然是ESD保护电容,但实际的取值是100pF(容抗为1592Ω),而不是100nF(容抗为1.592Ω,相当于信号对地短路了)。最后的设计取值比计算值小了三个数量级(1000倍),其实真正的“英雄”是齐纳二极管Z1和Z2(见图2)。Mhnednc

(3)ESD测试标准

ISO-10605是对汽车控制器执行的ESD测试标准。同时也是所有汽车控制器产品在执行产品验证试验中必须通过的测设标准。Mhnednc

Mhnednc

图5:ISO-10605中的接触放电模式电流规格。Mhnednc

Mhnednc

图6:ISO-10605中的通用ESD发生器参数(部分)。Mhnednc

图5可以很清晰地看到:ISO-10605定义了四种接触放电的组合(150pF/330Ω、330pF/330Ω、150pF/2000Ω和330pF/2000Ω),这是因为在通用ESD发生器参数表(见图6)中,电容有两种可选值(150pF和330pF),电阻也有两种可选值(330Ω和2000Ω),组合起来正好是四种。实际采用哪种的组合值,需要依据产品的实际情况来选用,当然也可以全部都采用。Mhnednc

Mhnednc

图7:ISO-10605中的直接接触放电严重等级例子。Mhnednc

图7可以得知,ESD电压的测试项可以分成3类,在每一类中又将电压等级细分为不同的测试电压,例如第1类中依次是±2kV、±4kV、±6kV、±8kV。Mhnednc

限于本文篇幅,更具体的内容可以针对ISO-10605来研读。Mhnednc

以上通过对控制器ESD测试项需求解读、ESD保护电路设计要点和ESD测试标准这三个主题的讨论,全方位地阐述了对于控制器这个层面上的ESD的内容。有了这些基础理解和掌握,就对后续的汽车电子中控制器ESD保护电路的设计做好了技术准备。Mhnednc

本文为《电子技术设计》2020年6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Mhnednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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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