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靜電防護器件於車載智慧終端的應用2020/02/03

摘 要: 全球汽車在電子化程度越來越高的需求下,每個電子單元在完成單部件後都需通過電磁相容測試,針對零部件的要求大部分來自車企、國家政府或是國際法規。故設計階段適當的考慮放置靜電保護器件於主晶片周圍或是對外在幹擾能量較敏感的介面,是通過電磁相容測試的方法之一。


1 靜電防護器件的參數
 
  正確選擇靜電保護器件於電路中,可增加電子產品的信賴度與魯棒性。由於每個靜電保護器件都有細微的參數差異,故選擇時除了注意保護器件須滿足相關的電磁相容測試法規外,在規格書中有以下參數可評估來正確密合自己的電路防護規格,例如:箝制電壓(Clamping Voltage)、寄生電容(CIN)和保護器件的工作電壓及反向漏電流。

2 重要參數
2.1箝制電壓(Clamping Voltage)
 
  箝制電壓參數需要低於整個被保護系統的額定電壓,此參數可透過傳輸線觸波產生器 (Transmission Lin Pulsing System,TLP)測量出TVS保護器件在短時間、高電壓電磁波觸發行為下的電壓-電流特性曲線(I-V Characteristic Curve)。晶焱科技提供針對CAN總線CANH與CANL的保護器件AZ9424-02S,滿足AEC-Q101資質。圖1為AZ9424-02S的TLP測試曲線,表示當器件承受IEC 61000-4-2 +8kV的靜電(Contact mode)能量下,可將電壓箝制在31V進而對後端的電路達到保護(TLP條件: Z0=50ohm, tp=100ns, tr=1ns)。
 
 
 
圖1

2.2寄生電容(CIN)
 
  靜電防護器件是與訊號線並聯使用,故保護器件的寄生電容(CIN)會對訊號傳輸質量達到一定程度影響,下表1提供高速訊號與寄生電容規格選擇建議。在確保信號完整性方面可透過眼圖 (Eye diagram) 測量來判斷訊號質量影響程度。AZ9143-04F是一款支持四路訊號並且擁有低的寄生電容(CIN = 0.45pF@1MHz )的陣列器件,可廣泛應用於HDMI 2.0或USB 3.0高速介面且符合AEC-Q101資質。如圖2,AZ9143-04F其低寄生電容的特性可滿足USB3.0的眼圖測量規格。

表1
 
 
圖2

2.3 TVS單向與雙向保護
 
  在廣泛的應用環境中,保護器件有分單向與雙向的類型。單向類型的應用譬如在電源埠是參考單向保護器件為首要考慮,因電源在參考地為基準的某個電壓範圍,如參考地以上為正壓而參考地以下則為負壓。但有些設計也會因要通過部分電磁相容法規,而刻意選用雙向保護於電源埠。雙向保護類型多應用於信號埠(GPIO)或是通訊介面,若信號有意義的特徵電壓只維持在正電壓或是負電壓位元准,則可考慮單向類型。若信號有意義的特徵電壓同時維持在正壓與負壓間,則一定要選擇雙向保護類型。可參考下圖3示意。 
 
 
 
圖3


2.4 TVS的工作電壓VRWM與反向漏電流ILEAK
 
  防護器件的工作電壓在規格書普遍標示為VRWM (Reverse Work Max Voltage),其表示當操作在此電壓範圍內的防護器件呈現高阻抗狀態,系統上的任何訊號傳輸將不會受保護器件所影響。除了正確選擇器件的工作電壓外,器件本身若有低的反向漏電流(Reverse Leakage Current, ILEAK)特性則也適合應用在新能源汽車。如表2中AZ9716-01F的ILEAK參數所示。

表2 

3 車載智能終端 (Telematics BOX, T-Box)
 
  車載智能終端是作為車內與外界進行訊息交換的網關,實現汽車與車聯網服務平臺間的通訊。圖4顯示車載智慧終端的部分應用架構,其中晶焱科技除了有靜電防護器件外,也提供自身帶有高靜電防護(IEC 61000-4-2)與浪湧防護(IEC 61000-4-5)能力的介面收發器,如RS-232, RS485與CAN總線。也可提供相關介面的靜電保護器件,透過器件擁有的低箝制電壓與低寄生電容技術能力使產品達到高信賴度與訊號完整性。
 
 
 
圖4

  為保證車載終端產品在數據採集過程中,不與其他電子單元相互幹擾或受異常能量耦合而造成數據準確性與完整性遭破壞,除了基本電氣性能試驗須滿足外,電磁相容試驗更是應該嚴格檢測並且依據實際產品應用環境不同而調整測試的等級。在國家建議標準GB/T 32960.2 電動汽車遠程服務與管理系統技術規範 第二部分 : 車載終端中提到電磁相容性試驗項目,因電子化程度不同車企通常會自定義項目與不同等級的試驗電壓。圖5列出國家建議標準的參考測試項目。


 
圖5

3.1沿電源線的電瞬態傳導抗擾度
 
  沿電源線的電瞬態傳導抗擾度試驗是參照GB/T 21437.2-2008方法進行,對其1,2a波型必須滿足5000個以上的脈衝試驗,而3a與3b脈衝試驗時間為1小時。對此晶焱科技提供AZ9824-01F其DFN封裝適用於LIN總線的保護,滿足車規資質外更提供高於建議標準的應用。
 
  在圖6與圖7分別顯示AZ9824-01F在協力廠商實驗室的ISO 7637單體實驗結果,在DCC (Direct  Capacitive Coupling, 直接電容耦合)模式下可通過Pulse 3a&3b達±600V,且此規格高於GB/T 32960的建議標準。

 
 
圖6

 
 
圖7

3.2靜電放電抗擾試驗
 
  靜電放電抗擾度試驗是按照GB/T 19951-2005進行,試驗過程中並不對待測物通電,測試的位置則是安裝操作員容易碰觸的表面或是特定點進行放電實驗。晶焱科技提供分別對應不同應用的保護元件,參考如圖4。
 
  在電源區塊可對應最高的電壓範圍至36V,在主晶片核心電壓1.2V的靜電放電保護器件。儲存埠如SD卡或是USB介面有陣列式設計的應用達到縮減空間需求。另外,在針對無線模塊如WiFi, GPS或BLE會使用到的天線保護,則有單通道低寄生電容 ~0.45pF的產品,如AZ9565-01F。表3提供應用在不同介面產品參數。
 
  在CAN總線通訊保護方面可採用AZ9424-02S對應,靜電保護(IEC 61000-4-2)能力高達±30kV並可防護浪湧(IEC 61000-4-5)能量達6A (8/20us) 。

表3
 
4小結
 
  晶焱科技提供符合AEC-Q101的靜電保護器件,其優異的低箝制電壓與低寄生電容參數可廣泛應用在車載通訊介面與內部電路進行保護進而增加產品信賴度。除了靜電保護器件外,還有符合AEC-Q100資質的CAN匯流排收發器AZCAN1042T,滿足ISO 11898-2:2016 CAN FD達2Mbps。晶焱科技的產品涵蓋多種汽車領域應用環境,本文是針對靜電保護器件於車載終端應用舉例,若有相關問題可與當地技術人員討論。
 


參考文獻
[1] 靜電放電防護技術III, 2018/2, 晶焱科技股份有限公司
[2] IEC 61000-4-2, EMC - Part 4-2 : Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge immunity test, International Electrotechnical Commission (IEC)
[3] ISO 7637-3, Road vehicles – Electrical disturbances from conduction and coupling – Part3: Electrical transient transmission by capacitive and inductive coupling via lines other than supply lines, International Organization for Standardization (ISO)
[4] GB/T 32960 電動汽車遠程服務與管理系統技術規範, 2016, 中國國家標準化管理委員會


 

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