onsemi Nix1161 系列：汽車高速數據線的 ESD 防護解決方案

在當今汽車電子技術飛速發(fā)展的時代，汽車內的高速數據傳輸變得越來越普遍，如信息娛樂系統(tǒng)、連接系統(tǒng)和先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等。然而，這些高速數據線路面臨著靜電放電（ESD）以及短路到汽車電池等風險，因此有效的防護至關重要。onsemi 的 Nix1161 系列產品就是為解決這些問題而設計的。

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一、產品概述

Nix1161 系列旨在保護高速數據線免受 ESD 以及短路到汽車電池情況的影響。它具有超低電容和低 ESD 鉗位電壓的特點，非常適合保護對電壓敏感的高速數據線。同時，低導通電阻（RDS(on)）的場效應管（FET）可限制信號線上的失真。其直通式封裝便于 PCB 布局，并能匹配走線長度，以保持高速差分線（如 USB 和 LVDS 協(xié)議）之間的一致阻抗。

二、產品特點

（一）低電容特性

Nix1161 系列的電容典型值為 0.65 pF（I/O 到地），這種低電容特性能夠有效減少對高速信號的影響，確保信號的完整性。對于高速數據傳輸來說，電容的大小直接影響著信號的衰減和失真程度，低電容可以降低信號的損耗，使數據傳輸更加穩(wěn)定。

（二）符合標準

該系列產品符合 IEC 61000 - 4 - 2（Level 4）和 ISO 10605 標準，這意味著它能夠為數據線提供可靠的 ESD 防護，滿足汽車電子系統(tǒng)對 ESD 防護的嚴格要求。

（三）集成 MOSFET

1. 短路到電池和 USB VBUS 阻斷：集成的 MOSFET 能夠有效地阻止短路到電池和 USB VBUS 的情況，保護數據線和相關設備免受損壞。
2. 可焊側翼器件：NIV1161MTWTAG 具有可焊側翼，便于進行自動光學檢測（AOI），提高生產效率和產品質量。

（四）汽車應用認證

產品帶有 NIV 前綴，適用于汽車及其他有獨特場地和控制變更要求的應用。它通過了 AEC - Q101 認證，并具備生產件批準程序（PPAP）能力，符合汽車行業(yè)的嚴格標準。

（五）環(huán)保特性

這些器件無鉛、無鹵素/無溴化阻燃劑（BFR），符合 RoHS 標準，體現了環(huán)保理念。

三、典型應用

（一）汽車高速信號對

在汽車的各種高速信號傳輸場景中，如信息娛樂系統(tǒng)、ADAS 等，Nix1161 系列可以為高速信號對提供可靠的 ESD 防護，確保信號的穩(wěn)定傳輸。

（二）USB 2.0

對于汽車內的 USB 2.0 接口，該系列產品能夠保護數據線免受 ESD 沖擊，同時保證數據傳輸的高速和穩(wěn)定。

（三）LVDS

在 LVDS（低壓差分信號）傳輸中，Nix1161 系列可以維持差分線之間的一致阻抗，減少信號失真，提高傳輸質量。

四、絕對最大額定值

需要注意的是，超過最大額定值表中列出的應力可能會損壞器件。如果超過這些限制，不能保證器件的功能正常，可能會發(fā)生損壞并影響可靠性。

五、電氣特性

（一）反向工作電壓

反向工作電壓（(V_{RWM})）最大為 16 V（I/O 引腳到地），這決定了器件在反向偏置時能夠承受的最大電壓。

（二）擊穿電壓

擊穿電壓（(V_{BR})）在測試電流 (I_T = 1 mA) 時，最小值為 16.5 V，典型值為 23 V（I/O 引腳到地）。當電壓超過擊穿電壓時，器件會進入擊穿狀態(tài)。

（三）反向漏電流

反向漏電流（(IR)）在 (V{RWM} = 5 V) 時，最大值為 1.0 μA（I/O 引腳到地）。較小的反向漏電流可以減少功耗，提高器件的效率。

（四）鉗位電壓

1. 在 (I_{PP} = 1 A)（8/20 μs 脈沖）時，鉗位電壓（(V_c)）最大為 26 V（I/O 引腳到地）。
2. 在 IEC61000 - 4 - 2 ±8 kV 接觸測試中，鉗位電壓可參考圖 1 和圖 2。
3. 在傳輸線脈沖（TLP）測試中，不同電流下的鉗位電壓也有相應的數值。

（五）結電容

1. 結電容匹配（(Delta C_J)）在 (V_R = 0 V)，(f = 1 MHz) 時，典型值為 1.0%（I/O1 到地和 I/O2 到地之間）。
2. 結電容（(C_J)）在 (V_R = 0 V)，(f = 1 MHz) 時，典型值為 0.65 pF（I/O 引腳到地）。

（六）其他特性

還包括漏源擊穿電壓、漏源擊穿電壓溫度系數、零柵壓漏電流、柵源漏電流、柵閾值電壓、柵閾值電壓溫度系數、漏源導通電阻、正向跨導、開關特性以及漏源正向二極管電壓等特性，這些特性共同決定了器件的性能和應用范圍。

六、應用信息

（一）汽車高速信號接口面臨的問題

現代聯(lián)網汽車使用多個高速信號對接口用于各種應用，如信息娛樂、連接和 ADAS。這些接口面臨著 ESD 和瞬態(tài)事件的風險，可能由制造和組裝過程、車輛乘員或其他電氣電路引起。相關的標準包括 ISO 10605（道路車輛 - 靜電放電電氣干擾測試方法）和 ISO 7637（道路車輛 - 傳導和耦合引起的電氣干擾）。此外，高速信號對還需要防止短路到電池（最高 16 VDC）和短路到地的故障。

（二）合適的防護解決方案要求

1. 低電容負載：為了最小化信號衰減，信號線路的電容負載要低。
2. 快速響應：能夠快速響應浪涌和瞬態(tài)，具有低鉗位電壓。
3. 小封裝尺寸：小封裝尺寸可以減少對電路板空間的需求，同時便于走線，保持信號完整性。

（三）PCB 布局指南

1. 可以使用頂部金屬走線將引腳 4 和 6 連接到各自的腹部焊盤，因為這兩個引腳在內部是相連的。
2. 將 ESD 保護器件盡可能靠近 I/O 連接器放置，以減少 ESD 到地的路徑，提高保護性能。
3. 使用差分設計方法和所有高速信號走線的阻抗匹配。
4. 盡可能使用彎曲走線，避免不必要的反射。
5. 保持差分數據通道的正負極線之間的走線長度相等，避免共模噪聲產生和阻抗不匹配。
6. 在高速對之間放置接地，并盡量增加對之間的距離，以減少串擾。

（四）工作模式

1. 正常運行（穩(wěn)態(tài)）：在正常運行時，MOSFET 在線性模式下工作，源極和漏極電壓幾乎相等，有效地傳遞來自 USB 收發(fā)器的信號電平。為了確保成功的鏈路通信，施加的柵極電壓必須大于數據線的最大信號電平加上 MOSFET 器件的最大閾值電壓。由于 NIV1161 的低柵閾值電壓為 1.5 V，3.3 V 和 5 V 的柵極驅動都適合為大多數通信協(xié)議提供余量。此外，還可以在 MOSFET 源極到柵極之間添加一個上拉電阻，以實現共模電壓的電平轉換。
2. 短路到電池（STB）事件：當 NIV1161 和數據通道關閉時，一對 MOSFET 體二極管被動保護 USB 收發(fā)器的端口。當數據通道開啟時，NIV1161 主動使用內部 MOSFET 進行鉗位，類似于電平轉換，因為 MOSFET 在飽和區(qū)域工作。源節(jié)點將增加到閾值電壓減去一個非常小的工作電壓，低于柵極電位，從而允許電流流入數據端口，受端口阻抗限制，直到柵源電壓穩(wěn)定在閾值電壓之上。這樣，NIV1161 通過限制終端電流和鉗位 STB 電壓來保護數據端口。

七、機械尺寸

Nix1161 系列有兩種封裝：WDFN6 2x2, 0.65P（CASE 511CB）和 WDFNW6 2.0x2.2, 0.65P（CASE 515AK），文檔中詳細給出了這兩種封裝的尺寸信息，包括各個尺寸的最小值、最大值等，同時還提供了推薦的安裝 footprint 尺寸。在進行 PCB 設計時，需要根據這些尺寸信息來合理安排器件的布局和走線。

八、總結

onsemi 的 Nix1161 系列產品為汽車高速數據線提供了全面的 ESD 防護解決方案。其低電容、高防護能力、集成 MOSFET 等特點使其非常適合汽車電子應用。在實際設計中，工程師需要根據產品的電氣特性、應用要求和 PCB 布局指南來合理使用該系列產品，以確保汽車高速數據傳輸的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用這款產品時，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗。