汽車高速數(shù)據(jù)線的低電容ESD保護方案——NIV2161/NIS2161
汽車高速數(shù)據(jù)線的低電容ESD保護方案——NIV2161/NIS2161
在當(dāng)今的汽車電子領(lǐng)域，高速信號接口的應(yīng)用越來越廣泛，如信息娛樂系統(tǒng)、連接系統(tǒng)和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等。然而，這些高速信號接口面臨著諸多電氣危害，如靜電放電（ESD）和瞬態(tài)事件，以及短接到電池和接地的故障。因此，選擇合適的保護方案至關(guān)重要。本文將詳細介紹安森美（onsemi）的NIV2161/NIS2161器件，它為汽車高速數(shù)據(jù)線提供了出色的ESD保護以及短接到電池和接地的保護。
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產(chǎn)品概述
NIV2161/NIS2161專為保護高速數(shù)據(jù)線免受ESD以及短接到車輛電池的情況而設(shè)計。其超低電容和低ESD鉗位電壓使其成為保護電壓敏感高速數(shù)據(jù)線的理想解決方案，同時低導(dǎo)通電阻（RDS(on)）的場效應(yīng)管（FET）可限制信號線上的失真。該器件采用直通式封裝，便于PCB布局，并能匹配高速差分線（如USB和LVDS協(xié)議）所需的走線長度，以保持一致的阻抗。
產(chǎn)品特性
- 低電容：典型值為0.40 pF（I/O到地），可減少對信號的影響，降低信號衰減。
- 符合標(biāo)準(zhǔn)：提供對IEC 61000 - 4 - 2（4級）和ISO 10605標(biāo)準(zhǔn)的保護。
- 集成MOSFET：用于短接到電池和接地的保護。
- 汽車應(yīng)用適用：NIV前綴適用于汽車和其他需要獨特場地和控制變更要求的應(yīng)用，符合AEC - Q101標(biāo)準(zhǔn)且具備生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序（PPAP）能力。
- 環(huán)保合規(guī)：無鉛、無鹵素/無溴化阻燃劑（BFR），符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。
典型應(yīng)用
- 汽車高速信號對，如USB 2.0/3.0、LVDS、APIX 2/3等。
絕對最大額定值
| 額定值 | 符號 | 值 | 單位 |
|---|---|---|---|
| 工作結(jié)溫范圍 | (T_{J(max)}) | -55至 +150 | °C |
| 存儲溫度范圍 | (T_{STG}) | -55至 +150 | °C |
| 漏源電壓 | (V_{DSS}) | 30 | V |
| 柵源電壓 | (V_{GS}) | ±10 | V |
| 引腳焊接溫度 | (T_{SLD}) | 260 | °C |
| IEC 61000 - 4 - 2接觸（ESD） | ESD | ±8 | kV |
| IEC 61000 - 4 - 2空氣（ESD） | ESD | ±15 | kV |
需要注意的是，超過最大額定值表中列出的應(yīng)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，可能會發(fā)生損壞并影響可靠性。
電氣特性
| 參數(shù) | 符號 | 條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 反向工作電壓 | (V_{RWM}) | I/O引腳到地 | 16 | V | ||
| 擊穿電壓 | (V_{BR}) | (I_T = 1 mA)，I/O引腳到地 | 16.5 | 23 | V | |
| 反向漏電流 | (I_R) | (V_{RWM} = 5 V)，I/O引腳到地 | 1.0 | μA | ||
| 鉗位電壓 | (V_C) | (I_{PP} = 1 A)，I/O引腳到地（8/20 μs脈沖） | 29 | V | ||
| 鉗位電壓（注2） | (V_C) | IEC61000 - 4 - 2，+8 kV接觸 | 見圖1和圖2 | |||
| 鉗位電壓TLP（注3） | (V_C) | (I{PP} = ±8 A)，(I{PP} = 16 A) | 39、66 | V | ||
| 結(jié)電容匹配 | (Delta C_J) | (V_R = 0 V)，(f = 1 MHz)，I/O 1到地和I/O 2到地之間 | 1.0 | % | ||
| 結(jié)電容 | (C_J) | (V_R = 0 V)，(f = 1 MHz)，I/O引腳到地（引腳7到地，引腳9到地） | 0.40 | pF | ||
| 漏源擊穿電壓 | (V_{BR(DSS)}) | (V_{GS} = 0 V)，(I_D = 100 μA) | 30 | V | ||
| 漏源擊穿電壓溫度系數(shù) | (V_{BR(DSS)}/T_J) | 參考25°C，(I_D = 100 μA) | 27 | mV/°C | ||
| 零柵壓漏電流 | (I_{DSS}) | (V{GS} = 0 V)，(V{DS} = 30 V) | 1.0 | μA | ||
| 柵源漏電流 | (I_{GSS}) | (V{DS} = 0 V)，(V{GS} = ±5 V) | ±1.0 | μA | ||
| 柵閾值電壓（注4） | (V_{GS(TH)}) | (V{DS} = V{GS})，(I_D = 100 μA) | 0.1 | 1.0 | 1.5 | V |
| 柵閾值電壓溫度系數(shù) | (V_{GS(TH)}/T_J) | 參考25°C，(I_D = 100 μA) | -2.5 | mV/°C | ||
| 漏源導(dǎo)通電阻 | (R_{DS(on)}) | (V_{GS} = 4.5 V)，(I_D = 125 mA) | 1.4 | 7.0 | Ω | |
| (V_{GS} = 2.5 V)，(I_D = 125 mA) | 2.3 | 7.5 | ||||
| 正向跨導(dǎo) | (g_{fs}) | (V_{DS} = 3.0 V)，(I_D = 125 mA) | 80 | ms | ||
| 開關(guān)導(dǎo)通延遲時間（注5） | (t_{d(ON)}) | (V{GS} = 4.5 V)，(V{DS} = 24 V)，(I_D = 125 mA)，(R_G = 10 VΩ) | 9 | ns | ||
| 開關(guān)導(dǎo)通上升時間（注5） | (t_r) | 41 | ns | |||
| 開關(guān)關(guān)斷延遲時間（注5） | (t_{d(OFF)}) | 96 | ns | |||
| 開關(guān)關(guān)斷下降時間（注5） | (t_f) | 72 | ns | |||
| 漏源正向二極管電壓 | (V_{SD}) | (V_{GS} = 0 V)，(I_S = 125 mA) | 0.79 | 0.9 | V | |
| 3 dB帶寬 | (f_{BW}) | (R_L = 50Ω) | 5 | GHz |
注：
- 除非另有說明，產(chǎn)品參數(shù)性能在電氣特性中列出的測試條件下給出。如果在不同條件下運行，產(chǎn)品性能可能無法通過電氣特性體現(xiàn)。
- 測試程序見圖3和圖4以及應(yīng)用筆記AND8307/D。
- ANSI/ESD STM5.5.1使用傳輸線脈沖（TLP）模型進行靜電放電靈敏度測試。TLP條件：(Z_0 = 50 Ω)，(t_p = 100 ns)，(t_r = 4 ns)，平均窗口：(t_1 = 30 ns)到(t_2 = 60 ns)。
- 脈沖測試：脈沖寬度 ≤ 300 μs，占空比 ≤ 2%。
- 開關(guān)特性與工作結(jié)溫?zé)o關(guān)。
ESD電壓鉗位與TLP測量
ESD電壓鉗位
對于敏感電路元件，在ESD事件期間將IC暴露的電壓限制在盡可能低的水平非常重要。ESD鉗位電壓是ESD事件期間ESD保護二極管兩端的電壓降，遵循IEC 61000 - 4 - 2波形。由于IEC 61000 - 4 - 2是作為手機或筆記本電腦等大型系統(tǒng)的通過/失敗規(guī)范編寫的，因此在規(guī)范中未明確規(guī)定如何在器件級別指定鉗位電壓。安森美開發(fā)了一種方法，通過示波器截圖在ESD脈沖的時域內(nèi)檢查ESD保護二極管兩端的整個電壓波形，這些截圖可在所有ESD保護二極管的數(shù)據(jù)表中找到。更多信息可參考AND8307/D。
傳輸線脈沖（TLP）測量
傳輸線脈沖（TLP）提供電流與電壓（I - V）曲線，其中每個數(shù)據(jù)點來自充電傳輸線的100 ns長矩形脈沖。典型TLP系統(tǒng)的簡化原理圖如圖7所示。ESD保護器件的TLP I - V曲線準(zhǔn)確地展示了產(chǎn)品的ESD能力，因為數(shù)十安培的電流水平和低于100 ns的時間尺度與ESD事件相匹配。圖8將8 kV IEC 61000 - 4 - 2電流波形與8 A和16 A的TLP電流脈沖進行了比較。TLP I - V曲線顯示了器件導(dǎo)通的電壓以及器件在一系列電流水平下的鉗位電壓能力。更多關(guān)于TLP測量及其解釋的信息，請參考AND9007/D。
典型MOSFET性能曲線
文檔中提供了一系列典型MOSFET性能曲線，包括導(dǎo)通區(qū)域特性、傳輸特性、導(dǎo)通電阻與柵源電壓的關(guān)系、導(dǎo)通電阻與漏電流和柵電壓的關(guān)系、導(dǎo)通電阻隨溫度的變化以及漏源漏電流與電壓的關(guān)系等。這些曲線有助于工程師更好地了解器件的性能，從而進行合理的設(shè)計。
應(yīng)用信息
汽車高速信號接口面臨的問題
當(dāng)今的聯(lián)網(wǎng)汽車使用多個高速信號對接口用于各種應(yīng)用，如信息娛樂、連接和ADAS。這些汽車高速信號接口可能遇到的電氣危害包括制造和組裝過程中、車輛乘員或車輛中其他電路產(chǎn)生的破壞性ESD和瞬態(tài)事件。主要涉及ESD和瞬態(tài)事件的文檔有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(dǎo)和耦合引起的電氣干擾）。ISO 10605基于IEC 61000 - 4 - 2行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了各種ESD信號特性級別，同時還包括額外的車輛特定要求。此外，通常還會施加OEM特定的測試要求。另外，這些高速信號對需要防止短接到電池（高達16 VDC）和短接到接地的故障。
NIV2161的解決方案
NIV2161為這些高速信號接口提供了ESD保護以及短接到電池和接地情況的解決方案。其ESD保護設(shè)計符合IEC 61000 - 4 - 2 4級標(biāo)準(zhǔn)，典型的I/O到地電容為0.65 pF，電容匹配緊密以保持信號完整性。低動態(tài)電阻允許非常低的鉗位電壓，16.5 V的擊穿電壓使器件能夠承受短接到電池的情況（范圍為9 V至16 V）。串聯(lián)FET設(shè)計具有非常低的導(dǎo)通電阻（RDS(ON)），并采用內(nèi)部布局實現(xiàn)直通式設(shè)計，以保持高速信號完整性。1.0 V的閾值電壓允許在與USB、LVDS和其他低電平信號一致的低柵極驅(qū)動電壓下工作。
PCB布局指南
為了確保應(yīng)用的最大ESD生存能力和信號完整性，需要對ESD保護器件進行適當(dāng)?shù)姆胖煤托盘栕呔€路由。具體步驟如下：
- 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。
- 確保使用差分設(shè)計方法和所有高速信號走線的阻抗匹配。
- 盡可能使用彎曲走線，以避免不必要的反射。
- 保持差分數(shù)據(jù)通道的正負極線之間的走線長度相等，以避免共模噪聲產(chǎn)生和阻抗不匹配。
- 在高速對之間放置接地，并盡可能保持對之間的距離，以減少串?dāng)_。
工作模式
NIV2161有三種不同的工作模式：正常（穩(wěn)態(tài)）、短接到電池事件和短接到接地事件。
- 正常操作（穩(wěn)態(tài)）：在正常操作中，MOSFET在線性模式下工作，所有源極和漏極電壓幾乎相等，有效地將信號電平從USB收發(fā)器傳遞出去。為確保成功的鏈路通信，施加的柵極電壓必須大于數(shù)據(jù)線的最大信號電平加上MOSFET器件的最大閾值電壓。由于NIV2161的低閾值電壓為1.5 V，3.3 V和5 V的柵極驅(qū)動都適合為大多數(shù)通信協(xié)議提供余量?？稍贛OSFET源極到柵極之間添加一個上拉電阻，當(dāng)為應(yīng)用正確指定時（通常 > 15 kΩ 是合適的），該電阻在正常操作中是透明的，不會阻礙鏈路通信。當(dāng)柵極斷電且鏈路不活動時，該上拉電阻（無論阻值大?。箹艠O放電，并完全隔離數(shù)據(jù)線與線路驅(qū)動器，防止任何刺激損壞數(shù)據(jù)線驅(qū)動器。根據(jù)鏈路速度和信號電平，電阻值過低（通常為5 kΩ或更?。a(chǎn)生更強的上拉效應(yīng)，可能會扭曲鏈路，因此在設(shè)計過程中必須考慮。
- 短接到電池（STB）事件：當(dāng)NIV2161和數(shù)據(jù)通道關(guān)閉時，一對MOSFET體二極管被動保護USB收發(fā)器的端口。當(dāng)數(shù)據(jù)通道在STB事件期間開啟時，NIV2161主動使用內(nèi)部MOSFET以類似于電平轉(zhuǎn)換的方式進行鉗位，因為MOSFET在飽和區(qū)域工作。源極節(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(shù)據(jù)端口，受端口阻抗限制。通過這種方式，NIV2161通過限制終端電流和對數(shù)據(jù)端口進行電壓鉗位來保護數(shù)據(jù)端口。
- 短接到接地（STG）事件：在主動STG事件期間，NIV2161的保護功能通過共享源極MOSFET配置以及被動使用雙向ESD二極管配置實現(xiàn)。在此事件中，數(shù)據(jù)線輸出短接到電池地或信號控制器的本地地（以及任何板載電源調(diào)節(jié)器）與電池地斷開連接。NIV2161的雙向ESD二極管通過反向連接的ESD二極管阻止任何反向電流路徑到數(shù)據(jù)線輸出，同時不影響ESD保護功能。在被動STG事件期間，USB收發(fā)器或任何板載分立元件的內(nèi)部調(diào)節(jié)器的電流源通常足夠弱，不會對終端造成與電源相關(guān)的損壞。
總結(jié)
NIV2161/NIS2161是一款專為汽車高速數(shù)據(jù)線設(shè)計的低電容ESD保護器件，具有出色的性能和多種保護功能。其低電容、低導(dǎo)通電阻和良好的鉗位電壓特性使其能夠有效保護高速信號接口免受ESD和短接到電池、接地故障的影響。在PCB布局和應(yīng)用設(shè)計中，遵循相關(guān)指南和考慮工作模式的特點，可以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢，確保汽車電子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似的ESD保護問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。
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