ESD保護解決問題:每次一個汽車模組

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在一天的工作正式開始前,粗略地流覽電子郵件,看到一連串報價、樣品、項目和其他要求。對我來說,總是突穎而出的一個要求通常包含「幫助」和「ESD」兩個詞。這特殊的請求是在艱難的時刻產生,然而我忍不住笑了,因為這對一個ESD保護元件的製造商恰好是絕佳商機。

靜電放電(ESD)可能發生在電絕緣的物體,如一個人由於摩擦而帶電和在接觸到接地金屬物體時突然放電。靜電電位可高達30 kV,而由此產生的放電是非常短的,通常為100 ns,峰值電流可高達100 A。我們都以不同的形式經歷過ESD,當我們走路回家觸摸門把手時產生靜電,隨後被電到。這可能會瞬間疼痛,能量通過空氣切割的輕微的藍色火花用科學解釋「相當酷」。但想像一下,當您從車裡出來,靠在車身上加油時發生這種情況。進入和離開您的車可能讓驅動您的導航和「求助」系統的電子設備受到電擊。雖然電擊可能不會傷害我們,即使是最輕微的脈衝也會損壞這些系統中的敏感電子,使它們變得無用,而不是「酷」。

例如,GPS或全球定位衛星子系統有助於您的車輛共用其位置,從而令某些地圖和輔助系統到達您的位置。它由一個天線驅動,通過位於可在車外看到的常見的「魚鰭」模組內,還有一個GPS收發器電路。在一些實施中,該收發器電路位於一個Telematics Box中,它在當今汽車行業扮演著越來越重要的角色。隨著越來越多的互聯的車輛進入市場,如4G蜂窩服務、WiFi、GPS和V2X(車輛之間和車輛與基礎設施通信)等特性都將在Telematics Box內實施。

GPS收發器電路常見的元件包括一個積體電路(IC)晶片與相關的射頻(RF)前端分立元件如變壓器及表面貼裝電容器和電阻器。收發器晶片越來越強大,整合了更多的功能,並且通過減小矽工藝的幾何尺寸減小了物理尺寸。最後一點在ESD的存在等級方面是關鍵的-行業趨勢已趨向採用的工藝幾何尺寸越小,晶片組對ESD越敏感。這種更高的靈敏度會導致整體更低的系統(IC被置於其中)級ESD。

談談之前郵件中的ESD故障。最終他們換了新的GPS收發器IC用於之後的Telematics Box,不再需要通過所需的ISO 10605車載系統ESD規範的8kV等級。它們可以通過的最高水準是4kV,這需要OEM製造商的豁免和為潛在的現場失效負責。

診斷首先從檢查原理圖和PCB佈局開始,如果看起來一切正常,那麼就要開始下一步的實際模組評估了。安森美半導體通常採用一種稱為傳輸線脈衝(TLP)的測試方法,重複測定上升時間、脈衝長度和ESD脈衝的總能量。TLP不是通過阻抗不匹配的ESD模擬器放電,而是在乾淨的、50歐姆的環境中放電,讓我們“看到”測試元件的鉗位元電壓。

http://www.onsemi.cn/site/images/Transmission%20Ling%20Pulse%20(TLP)%20Test.JPG

在對該特殊的模組進行TLP測試後,很明顯,新的GPS收發器的內部ESD鉗位元結構具有很低的導通和鉗位元電壓。由於這些元件大多採用普通齊納二極體結構,擊穿電壓7至10V,這使得很難用外部低寄生電容的ESD保護元件保護。在這電壓點導通,在這個等級的鉗位元和瞬態貫穿整個脈衝,這些元件可以讓大多數的瞬態電流流入無法在更高的8kV脈衝能量生存的GPS收發器的內部ESD結構。一些
整合外部ESD保護元件的新板進行了測試,沒有一個能夠超過所需的存在等級,因為它們都是高壓齊納型結構。

開始談談最新的SZESD9101P2T5G ESD保護元件,它採用安森美半導體的整合可控矽整流器(SCR)ESD鉗位元結構的快速導通的ESD9000系列。不像舊的齊納二極體結構,SCR結構在相同的7V等級導通,但很快在3ns內重回到極低的2至3V鉗位元電壓。這使得ESD脈衝瞬態電流被適當的分流到地面而不被耗散和隨後破壞GPS收發器IC。在一個新的模組快速連接該元件和ESD測試開始獲得好的結果,因為SZESD9101成功保護了GPS通過所需的8kV存在等級。

http://www.onsemi.cn/site/images/SZESD9101%20Protection.jpg

有了推薦的ESD保護元件、TLP的結果以及向上層管理報告8kV通過結果,從而避免潛在的現場故障。雖然它肯定有助於行業領先的ESD保護技術,但説明故障排除並提供深入分析以解決這個問題的是真正的ESD專知。我相信這是行業內每個人都在尋求的,以改變現狀,解決具有挑戰性的問題,最重要的是保持車輛在路上的安全。因此,早晨開始於許多電子郵件,請記住,在某處有人在他們的汽車電路中正在經歷一個嚴重的ESD故障,我們將在那裡解決問題:每次一個模組。

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