深入理解汽車電子——ESD元件篇

作者: 高楊,EDN China特約作者

ESD是靜電放電的英文簡稱。在汽車電子領域,ESD從元件、模組到系統這三個方面,從引用標準、參數模型,以及測試標準均有不同範疇和定義。錯誤的理解會導致錯誤的電路設計和設計試驗驗證,最終導致產品不合格。

ESD是靜電放電的英文簡稱。在汽車電子領域,ESD從元件、模組到系統這三個方面,從引用標準、參數模型,以及測試標準均有不同範疇和定義。錯誤的理解會導致錯誤的電路設計和設計試驗驗證,最終導致產品不合格。

正確理解ESD的內容對於汽車電子設計非常幫助,本文僅就ESD元件的以下內容展開討論:

(1)資料手冊參數解讀;

(2)ESD執行的標準;

(3)ESD測試標準。

資料手冊參數解讀

由於CAN是系統與外部電路的介面,因此本文用CAN收發器舉例。從圖1可以看到,ESD的參數在資料手冊中會出現二種表示:一種是人體模型(HBM),另外一種是機器模型(MM)。從圖1中可以得知CANH、CANL,以及SPLIT這3個接腳(PIN)對於HBM的耐壓等級是±6kV;其餘接腳(Vcc、STB、RTD、TXD、GND)都是±4kV(圖2)。

圖1 TJA1040(NXP)中關於ESD的參數描述。

圖2 TJA1040(NXP)的接腳圖。

這樣的設計是有原因的:瞭解電路設計原理的都知道,CANH、CANL和SPLIT這3個接腳在實際電路中最後連接的都是控制器的連接器,在產品驗證試驗的ESD測試中會直接耐受不同的ESD(需要和ESD保護電路一起工作);這3個接腳對於晶片來說屬於對「外」的接腳,因而ESD的耐壓等級需要比對「內」接腳高,此處高出了2kV。再來看MM參數,所有的接腳都是±200V。這是由於MM測試針對的是整個元件,因此不需要區分對「內」還是對「外」的耐壓等級。

ESD執行的標準

從圖1還可以看到,HBM後面有個note 1,這個注釋就是在解釋HBM所引用的測試標準。同樣,MM後面有個note 2。

需要注意的是,標準=模型+測試值+測試流程,只是表述HBM ±6kV並不嚴謹,更準確的表達是JEDEC JESD 22-A114 HBM標準(JEDEC JESD 22是Reliability Test Methods for Packaged Devices的標準),R=1,500Ω,C=100pF(圖3)。參數手冊中為了嚴謹的表述,需要有個note 1來約束此處對於測試值的定義。同理,MM更準確的表達可參照JEDEC JESD 22-A115。

圖3 ESD中使用的HBM。

ESD測試標準

AEC-Q100是對汽車電子元件執行的標準。應用在汽車電子控制器中的元件都需要通過AEC-Q100的認證,才可以被運用到汽車電子的設計中。

AEC-Q100中對於ESD的測試標準,AEC-Q100-002和AEC-Q100-003,分別定義了HBM和MM的測試項和內容(圖4)。

圖4 AEC-Q100附件中ESD的測試內容。

在AEC-Q100標準的TEST GROUP E–ELECTRICAL VERIFICATION TESTS電器特性確認測試中具體描述了對於ESD的測試項目,包括測試樣品的數量、樣品的批次、接受標準、測試方法,以及附加需求。

從圖5的接受條件可以看到,AEC-Q100中對於ESD零缺陷的接受標準是HBM 2kV或者更高,MM是200V或者更高。依照公式「標準=模型+測試值+測試流程」,以下用HBM來具體說明。此處的模型是指HBM,測試值是R=1,500Ω,C=100pF(圖3),測試流程是JEDEC JESD 22-A114。測試流程是照以下的步驟進行:測試電源接腳和非電源接腳每次是按照在測試電壓等級下以一個正脈衝和一個負脈衝交替的方式進行;測試電壓中500V、1kV、2kV 和4kV是必須的,其他的測試電壓根據實際的設計需求來執行。限於本文篇幅,對於JEDEC JESD 22-A114的具體內容,讀者可自行研讀。以上透過對資料手冊參數解讀、執行的標準,以及測試標準三個主題的討論,闡述了對於元件這個層面上ESD的內容。有了這些基礎理解和掌握,就能對後續的汽車電子中控制器ESD保護電路的設計,以及設計驗證試驗等內容做好技術準備。

圖5 AEC-Q100中TEST GROUP E–ELECTRICAL VERIFICATION TESTS電器特性確認測試的表格。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年4月號雜誌

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