汽车的瞬态保护解决方案

日期:2018-08-12

ESD安全MLCCS、慢瞬态波额定MLCC和多层压敏电阻器
 
作者:Ron Demcko,研究员,AVX Corporation
 
得益于现代技术,乘用车比以往任何时候都更安全、更舒适、更高效。今天的汽车利用难以置信的计算能力,以多种不同的方式来提高整体驾驶体验。例如,传感器阵列和专用处理单元现在可监视并利用从机舱娱乐电子系统的大量数据到关键引擎舱模块。多个中央处理单元现在采用高速网络将数据传输到更大、更强大的处理器,这些处理器可以对多个子系统进行配置、排序和控制。此外,汽车现在利用RF链路来彼此和与周围的基础设施通信。
汽车IC的复杂性和它们的高可靠性性能的关键特性有助于支持这样的论点:这些日益丰富的器件现在比瞬态电压更容易受到影响。汽车设计工程师通常使用屏蔽和路由方法来重定向瞬变、瞬态电压抑制器来箝制输入瞬变的影响,或集成电容器捕捉瞬态电压,并以敏感性限制之下的水平将其能量缓慢释放到电路中。然而,由于这些器件的成本、尺寸和性能限制的不同性质,对于每一个汽车应用都没有“一刀切”的解决方案。
本文研究了两种汽车瞬态电压控制方案,瞬态电压抑制钳位(即,多层压敏电阻器)和集成电容器,并比较和对比多层压敏电阻,ESD-Safe™ MLCC,以及慢脉冲能力的多层陶瓷电容器。
 
性能考虑
瞬态电压抑制的理想方法是用瞬态电压抑制器(TVS)箝位瞬态电压。在市场上所有的TVS器件中,多层压敏电阻器(MLV)是最好的选择之一,这是因为它们体积小,重量轻,并且能够在其导通状态下钳位电压,并且在其关闭状态下起到电磁干扰(EMI)滤波器的作用。此外,MLV不具有与TVS二极管一样的严重功率降额限制(图1)。这一特性在汽车LED驱动器和发动机电子设备中越来越重要,因为这些应用经常受到接近或超过125℃的工作温度。
 
 

图1:MLV(左)与TVS二极管(右)温度降额
 
在某些情况下,IC具有片上保护级别,或者位于PCB或模块的内部。在这些情况下,通常可以使用积分电容来衰减瞬态的前端、上升时间效应。这种类型的保护,静电放电(ESD)集成,最适合于非关键的汽车应用。在通信总线结构需要瞬态控制的情况下,MLV是一种更有效的瞬态电压解决方案,因为集成电容器内所需的电容量会导致信号数据倾斜。
 
现代汽车有几十个CAN接口需要瞬时电压控制。图2说明了CAN MLV实现前后的典型CAN电路。在这个例子中,MLV从CANH和CANL线路连接到地面,用于在压敏电阻的关闭状态下提供EMI滤波,并在ESD或其他瞬态存在时为IC提供双向保护,使其成为EMC电容器和双向二极管的有效替代。MLVS也非常适合用于汽车CAN电路,因为多个系列可以在150°C操作,而不需要降额。因此,当接口和其他通信总线继续扩展它们的角色到底层应用时,使用MLV的情况只会变得更强。
 

图2:一个典型CAN电路有两个MLCC和两个二极管(左),而一个典型CAN电路有两个MLV或12个MLV阵列(右)
 
 
在利用有芯片上保护的IC或PCB或模块内集成IC的电路中,或者在采用较低成本、较慢且较不复杂IC的汽车电路应用中,IC将至少表现出适度程度的固有ESD生存能力。因此,ESD集成电容器可以在这些类型的电路中提供有效的瞬态电压保护。然而,重要的是要理解,这些解决方案仅在短波形事件的情况下是有效的,在相当坚固的IC中,在非关键应用中,能够承受大量的电容性负载。幸运的是,这种组合的质量是相当普遍的。在大多数发动机控制单元(ECU)中,通常需要80/20个ESD积分电容器与引脚上的MLV。例如,300引脚ECU将具有240:60比率的MLV积分电容器。
 
ESD模型
ESD是由摩擦材料系列中材料的电荷转移产生的亚纳秒上升时间事件。ESD在极性、接触或空气放电中可以是正的或负的,本质上是重复的或随机的。
ESD事件通常由电容器充电到特定的电压电平,并与限流电阻器串联,它们都以特定的重复速率放电,以模拟被测器件(DUT)上一定数量的真实瞬变。有几种模型可以用来模拟各种可将ESD注入受害者的瞬态源,但三种最常见的模型是带电装置模型(CDM)、机器模型(MM)和人体模型(HBM)。
ESD-Safe™ MLCC一般在受到HBM冲击(150pF,330Ω)的IEC 610004-2应用中使用,但不限于接触放电模式(图3)。虽然有许多常见的速度慢瞬变,ESD安全MLCC主要用于快速瞬变硬化。
 

图3:人体模型(HBM)是三种最常见的模型之一,可用于模拟将ESD注入受害者的瞬态源。

 
多层压敏电阻箝位暂态电压控制
多层压敏电阻器是氧化锌(ZnO2)陶瓷半导体在存在电偏置的情况下表现出非线性的电压电流(VI)特性。多层导电电极之间的晶粒数决定击穿电压,该击穿电压被定义为VI曲线上的1mA电流导通点。箝位电压被定义为以8x20µs波形测量的最大电压,该波形被定义为在具体电流强度下施加的能量额定值。MLV的另一个参数是操作电压,它可以无限期地施加于MLV的稳态电压,而不引起器件指定泄漏电流的增加。
图4示出了作为TVS钳位的MLV的VI曲线。MLV优于其他TVS钳位,如二极管,以及明显优于MLCC,包括大的浪涌电流能力,高能量瞬态电压抑制,关闭状态大EMC电容,极低的故障时间(FIT)率,以及易于组装。这些优点使MLV在先进的汽车系统中有利于电路保护的解决方案。

图4:MLV voltage-current (VI) curves
 
基于MLCC集成的暂态电压控制
许多瞬态电压控制设计利用I/O引脚上的电容器来集成电压并保护IC免受ESD损坏。虽然这可能是一种有效的设计实践,工程师经常高估电容器的性能,因为它在应用的ESD事件上有显著的值下降。
一般来说,NP0电介质的电容降量可以忽略不计。然而,X7R电容器的电容下降量可以比50%或更大。在任何特定制造商中,这个值从制造商到制造商以及批量生产都是不同的,因为ESD电压系数在标准电容器上没有按批量计算。
来自标准X7R电容器期望值的电容降可以导致在需要保护的IC或器件上高得多的电压。ESD电容器是控制ESD事件的有效武器,但设计者在器件选择过程中应格外小心。
电荷守恒适用于ESD模型的电容电压乘积和ESD模型加ESD积分电容器的组合电容(图5)。这可以用方程Cmodel x Vmodel = (Cmodel + Cicap) x Vic来表示,其中Cmodel是ESD模型的电容,Vmodel是模型充电的电压,Cicap是积分电容器的电容值,Vic是IC(或受保护器件)的电压。
 
 

图5:电荷守恒适用于ESD模型的电容电压乘积和组合电容的ESD模型加ESD积分电容器。
 
 
ESD模型的原始电荷在ESD模型的电容和ESD集成电容器之间分离。例如,如果ESD模型中的电容器被额定为150 pF并且充电到8kV,并且集成电容器被额定为1000 pF,则IC中的预期浪涌电压大约为1044伏。
 
ESD电容器与MLV HBM静电放电测试
在两个常见的MLCC和MLV上进行人体模型(HBM)ESD测试,以确定IEC 610004-2应用中每个器件对不同大小的ESD波形的影响。在这个测试中,DUT被焊接到测试卡上,测试卡连接到TDS 784示波器上法拉第屏蔽40dB衰减器的入口端口。测试设置和定义如图6所示。
 


图6:ESD优化测试夹具(左)及设备设置
 
试验进行了2kV、4kV和8kV ESD冲击的正负瞬态接触对DUT的放电。所获得的电压代表被保护器件的端口处的ESD电压幅值。图7中的图说明了4.7nF X7R介质MLCC、100nF X7R介质MLCC和18V MLV的相对保护,以及集成和箝位器件之间的差异。


图7:对正、负2kV瞬变(顶部)、4kV瞬变(中间)和8kV瞬变(底部)的相对保护,即4.7nF X7R介质MLCC、100nF X7R介质MLCC和18V MLV提供了DUT。
 
2kV曲线示出了所有这些器件中的三个正负波形的影响。由于MLCC和MLV都是非极性的,所以图是对称的。MLCC的集成电压随着瞬态电压的增加而增加,而MLV表现出相对恒定的箝位电压,而不管ESD瞬态幅度如何。
这些测试表明,较大值电容器将瞬态电压集成到较低的电压电平。然而,如上所述,电路允许的电容负载量存在实际限制。电压线实际上没有电容限制,而信号和数据线有一个具体的积分电容值,它们可以在经历信号退化之前处理。
下表描述了通常可用的ESD电容器和MLV大小的范围。

图8:ESD安全MLCC和MLV技术规范
 
慢瞬态波形MLCC
也有专门设计用于存活缓慢瞬态波形注入的MLCC。这些器件被设计和测试以抑制包括ISO 7637脉冲1、2A/B、3A/B、4和5A/B的瞬变,以及GS95000 3-2负载突降瞬变。最新技术慢波MLCC可以0603至1210尺寸提供,电容范围跨越1nF至4.7μF,并具有耗散因子(DF)和绝缘电阻(IR)值,如图9所示。
 

图9:低瞬态波形脉冲MLCC的损耗因子(DF)和绝缘电阻(IR)值
 
总结
今天的汽车设计工程师有各种各样的瞬态电压控制方案可供选择,并能满足各种解决方案的个性化应用需求。MLV比TVS二极管和集成电容器具有显著的电气、物理和可靠性优势,并且测试表明ESD安全MLCCS也可用于有效控制某些应用中的ESD瞬态波形。较新的解决方案包括慢瞬态波MLCCS,已证明了生存ISO脉冲。
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