如何为汽车 A／V 接口提供出色的 ESD 保护

驾驶员和车辆现在越来越依赖高级驾驶辅助系统（ADAS）。在车辆的 ADAS 中，虽然雷达和激光雷达等系统的使用非常重要，但其高度依赖高质量的视频图像。随着车辆自动化程度不断提高，这些视频流质量的重要性日益凸显。从设计方面来看，高速视频链接设计需要考虑如何在恶劣的环境下，保持所需的信号完整性。 

一些汽车已经配备了可以自动识别道路标志，或是检测汽车偏离车道的系统。到目前为止，这些功能只能使用车辆内部和周围的视频传感器加以实现。 

尽管视频数据在汽车领域的使用和重要性与日俱增，但仍然缺少全球公认的标准来定义视频数据在车辆周围共享的方式。制造商将自行选择自己偏好的解决方案。其中包括专有标准，例如 APIX、GSML 和 FPD-Link，分别支持 6 Gbit/s、10 Gbit/s 和 13 Gbit/s 速度。此外，速度高达 1 Gbit/s 的汽车级以太网的使用也与日俱增。 

随着带宽和分辨率需求不断提高，车辆中使用的平均视频链接数量也将增加。不久前还适用于倒车摄像头的标准清晰度，将被高清晰度、高帧率的传感器所取代，从而在高速行驶时进行高分辨率图像捕获。 

保持信号完整性是重中之重

从设计方面来看，高速视频链接设计需要考虑如何在恶劣的环境下，保持所需的信号完整性。视频数据路径中添加的每个组件都会引入损耗，这将影响同轴电缆的选择、连接器的质量，以及信号如何路由到链接的物理接口（PHY）。保持信号完整性是重中之重，但仍需要通过增加适当级别的保护，防止潜在的 ESD 脉冲和故障条件（例如电池轨短路）。接口还需要承受高达 10 kV 的瞬态电压。必须仔细考虑与所用保护器件相关的插入电容的影响，以便在不影响信号完整性的前提下提供保护。更多详细信息详见此白皮书。 

例如，过去的建议是将 ESD 器件尽可能靠近 PHY，以保护 IC。这一建议早已更改，现在 ESD 保护的首选位置是将保护放置在尽可能靠近连接器的位置。这通常意味着，ESD 器件现在位于隔直电容的连接器侧，如图1所示。如果使用可选的共模扼流圈（CMC），这也意味着将 ESD 器件从 PHY 侧移动到CMC的连接器侧。 

图1.ESD的放置选项

那么，为什么要改变之前的方法呢？原先的位置靠近 PHY，很明显 ESD 器件旨在保护 PHY 的敏感电子电路。为了做到这一点，静电冲击需要通过隔直电容和 CMC。在这个位置，能够将与 ESD 保护相关的插入损耗降到最低。但很明显，电路的其他组件和部分无法受到保护。 

ESD保护的最佳位置是什么？

从技术角度来看，ESD 保护的最佳位置实际上应尽可能靠近连接器。这样一来，ESD 可以将 ESD 脉冲钳位到地，同时仍与电路保持物理距离，尤其是与 PHY 本身。这就是为什么汽车行业的一些规范，例如开放技术联盟特别利益集团（SIG）提出的规范，现在建议 ESD 保护应更接近 ESD 脉冲进入 PCB 的点。其目的是根据系统的需要，而不是为某个特定组件提供 ESD 保护。图2显示了 ESD 器件位置的变化。

图2.ESD保护器件的物理位置已更靠近连接器

将 ESD 器件移近连接器能够为更多电路提供保护，但由于它靠近连接器的端子，还会产生其他影响。这些影响将决定汽车工程师在实现高速接口（例如视频连接）时所做的设计选择。这些选择与 ESD 器件引入的电容，以及这会如何影响当前数字信号的上升/下降时间有关。 

此外，由于 ESD 保护器件现在更接近“外部世界”，因此将面临截然不同的威胁。这包括电缆上的潜在故障，可能会导致信号和电源轨之间短路。在汽车环境中，这意味着 ESD 器件需要承受其端子间至少 12V 的短路，而不会出现故障。如果 ESD 器件放置在 CMC 和隔直电容后，这一要求也无需考虑了。图1包括可用于任一位置的器件选择，突出显示了不同的反向关态电压（VRWM）。 

仿真对于现代汽车设计至关重要

在汽车设计中，仿真在项目概念阶段的重要性正日益凸显。Nexperia（安世半导体）深谙于此，并支持 ESD 事件本身的仿真和SI仿真。可以使用高效的系统级 ESD 设计（SEED）模型，对 ESD 保护器件进行评估。 

使用 SEED 方法的仿真同时考虑接口与电路的其余部分。模型基于等效电路来表示 PHY、CMC 和隔断电容。可以对 ESD 保护的静态和动态行为进行建模。使用 SEED 仿真和模型，设计工程师可以测试自己的 ESD 电路设计选择，然后根据结果选择合适的 ESD 保护器件，即使在概念阶段也是如此。Nexperia（安世半导体）已使用这种方法来表征其 ESD 保护器件，并分析它们如何抵抗受控静电放电引起的初始电流和残余电流。Nexperia（安世半导体）还为其所有 ESD 保护器件提供散射参数数据，包括用于高速接口的器件，尤其是视频链接。设计工程师可使用散射参数，对其独立系统进行 SI 仿真。 

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作者简介


Andreas Hardock

Nexperia ESD 的应用营销经理 Andreas Hardock 博士于2010年在维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学（Julius-Maximilians-University）毕业，并于 2015 年在汉堡理工大学（TU Hamburg）获得博士学位。他从事基于VIA的滤波器和耦合器的信号处理领域的工作。Andreas Hardock 自 2015 年以来一直在汽车行业为 BHTC 和大陆集团（Continental）工作，负责 ESD 和 EMV 。自 2020 年以来，Andreas一直在 Nexperia 负责 ESD 在汽车中的应用。