瞭解ESD標準在汽車電子設計中的重要性

作者: James Colby, Littelfuse

在過去的十年中，汽車電子安全性和可靠性標準隨著新技術的發展發生了顯著的變化。過去常常被當作可選項銷售的技術，如電動門鎖、穩定控制和防鎖死剎車，現在已是大多數車輛的標準配置。如今，那些被用於車道偏離警告、車載通訊和夜視的汽車電子被認為是創新的技術…

在過去的十年中，汽車電子安全性和可靠性標準隨著新技術的發展發生了顯著的變化。過去常常被當作可選項銷售的技術，如電動門鎖、穩定控制和防鎖死剎車，現在已是大多數車輛的標準配置。如今，那些被用於車道偏離警告、車載通訊和夜視的汽車電子被認為是創新的技術。

設計和製造上的這種現代化轉變，要求設計人員應完全瞭解超出消費性電子產品保護要求的汽車認證標準要求；然而，依循汽車標準的設計涉及多項技術挑戰。例如，最尖端汽車電子產品中所使用的半導體依賴於市場上最新的IC技術；由於這些IC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，汽車環境的嚴酷性是以惡劣的電氣瞬變為標誌的，在汽車認證測試中也會對此進行模擬。

圖1 需要考慮 ESD 防護的車用系統。

本文探討了汽車標準、電路和解決方案的實際應用，以協助汽車電路設計人員創造出穩健可靠的設計。

必須符合的汽車測試標準

電路設計人員必須在他們先進的汽車電子設計中考量ISO 10605和AEC-Q101測試標準，以達到汽車市場要求的合格品質；這些標準重點關注汽車中普遍存在的電氣和環境危害，以及所使用的離散半導體可靠性。

ISO 10605標準規定了用以評估為車輛而開發的電子模組ESD測試方法。這些模組必須能夠管理由組裝、保養/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試要求，相較於 IEC 61000-4-2消費性電子和電信的應用級規範來說更晉一級；該標準要求製造商以高於IEC標準的等級來測試這些電子模組。

對於ISO 10605標準的合規性，每個電路和模組在被安裝到車輛中之前必須進行預先測試。一旦車輛組裝完畢，還必須再進行測試以確保安全性和可靠性。

AEC-Q101標準描述了確保汽車環境中的半導體元件之長期可靠性的一系列認證實驗；對於在車輛中增加ESD保護元件─如瞬態電壓抑制(TVS)二極體和陣列─的汽車製造商來說，這些元件必須要漸漸的接收符合AEC-Q101標準。

符合AEC-Q101標準的元件必須能夠因應汽車環境的危害，包括熱衝擊和熱迴圈、極端溫度和高濕度。滿足該標準的要求能夠確保元件被安裝在車輛中之後不會因其自身固有的弱點而出現故障。

需要保護的汽車電路

汽車內部的所有電路和元件均易受到電氣瞬變的侵害，無論其在車輛中所處的位置。以下列出了需要保護的五個最常見汽車電路：

1. 傳統通訊匯流排：

做為最流行的通訊匯流排標準，傳統通訊匯流排覆蓋了車內電路的50%到75%。

　　●　控制器區域網路(CAN)：

該標準允許微控制器和設備能夠在車內進行通訊，而無需使用主機。它是專為汽車應用而設計、基於訊息的協定。CAN系統可處理多種功能，從動力轉向到引擎電腦和變速箱之間的關鍵傳動系統通訊。

　　●　區域互連網路(LIN)：

LIN匯流排標準是用於車輛各元件之間通訊的串列網路通訊協定。LIN匯流排也可透過特殊的DC-LIN收發器在車輛的蓄電池電力線上使用，這也是當今汽車業界常見的做法。LIN系統能夠處理簡單的機電功能，如移動電動座椅和切換巡航控制。

CAN/LIN匯流排是設計用於車內控制和監控功能的雙線通訊匯流排。它們的線路有很大的可能性會暴露於瞬態浪湧，從而導致未受保護的CAN/LIN收發器出現故障。圖2說明CAN和LIN匯流排保護的實踐策略。

圖2 CAN和LIN匯流排保護策略。

2. 高速數位匯流排：

USB/HDMI埠支援車內的消費者應用軟體。例如，儀表板可能會有一個USB埠，乘客可用它來為手機或平板電腦充電，或者在車內播放音樂。HDMI埠則被用於車輛中的備份和前視攝影機；不同於舊的攝影機技術，這些HD機種採用更高影像速率，運作時需要更高的資料速率。由於具有更快的吞吐率和更大的晶片靈敏度，這些連接埠要求有出色的訊號完整性和系統可靠性。USB/HDMI埠可能會因車內相對較小的ESD事件和短路而損壞。

3. Wi-Fi通訊/SIM插槽：

這項技術使車輛能夠為乘客提供行動3G或LTE通訊。SIM卡模組是將LTE轉換為Wi-Fi的電路的中間部分，讓使用者能夠連接到手機、平板電腦和筆記型電腦。SIM卡插槽需要ESD保護是因為在車內安裝或更換模組時它會受到人機互動的影響。

4. 通訊/廣播接收用的高頻天線：

這項技術的基礎是短距離射頻電路。這種電路能夠實現車輛對車輛、或車輛與道路的通訊，這也是汽車市場中最熱門的發展趨勢之一。這種網路可以使汽車互相「看到」對方，並能在車輛之間進行通訊。與道路之間的通訊有助於防止碰撞，實現智慧交通系統。由於射頻放大器的前端對ESD非常敏感，因而應使用雙向、低電容的ESD二極體。無偏置的射頻訊號會在天線電路上生成正負極性的電壓。雙向二極體將能夠確保訊號的負向部分不會被削減。

5. 電源匯流排：

這些匯流排的電壓在 12V或更高，從而為車內的電子模組提供電力。在組裝或車輛行駛過程中會使它們暴露於大量的ESD和浪湧瞬變之下。瞬變保護選項既有車內深嵌模組的簡單的ESD二極體，也有具有處理負載突降事件的高浪湧耐受的TVS二極體。

為汽車應用選擇合適的電路保護解決方案

汽車電路設計人員可能很難找到高品質的電路保護解決方案，因為有能力開發符合AEC-Q101標準的產品的公司對整個市場而言鳳毛麟角。在選擇電路保護元件的製造商時，重要的是要去查證公司的品質，以確保它們能夠提供符合AEC-Q101標準要求，以及其他產業標準、經證實的高可靠性產品；該公司還應沿襲產品設計上的最佳方法並採用高品質的製造技術。

表1列出了在設計階段初期應予以實施的一些電路保護解決方案。

表1 各種汽車應用電路保護解決方案的特點。