技术文章—用于连接自动驾驶汽车的高级电路保护

在本世纪初，汽车安装了许多基本独立的电子系统。 从那时起，连接性的增长以及人工智能和机器学习的兴起极大地改变了汽车电子产品。 各种类型的车辆都变成了复杂的，相互连接的通信中心，而自动驾驶汽车的功能只会提高这种复杂性的水平。

V2V和V2I车载电源和通信电路需要使用熔断器，PPTC，TVS二极管和二极管阵列，MLV和聚合物ESD抑制器进行过电流，ESD和电涌保护。 V2X模块可能采用以专有的硅雪崩技术制造的AQ3045背对背TVS二极管的形式做ESD保护，为可能遭受破坏性静电放电（ESD）的电子设备提供保护。 这些二极管可以安全吸收重复的ESD冲击，达到IEC 61000-4-2国际标准规定的最大水平（±30 kV接触放电），而不会降低性能。 当存在交流信号时，背对背配置可为数据线提供对称的ESD保护。 （来自Littelfuse的示例解决方案。）

新协议正在被部署以增强连接性，同时促进类似于宽带的汽车通信。 V2X技术旨在帮助车辆与道路和彼此通信，以防止碰撞并优化交通流量。汽车版本的以太网和HDBaseT正在被实现，以提高关键子系统之间的高速数据传输的速度和效率，这些子系统包括高清摄像机，激光雷达和雷达传感器以及无线连接功能。

更好的连接性使汽车更安全，用途更广泛，但也给设计汽车的工程师带来了许多技术挑战。更先进的汽车芯片组还必须变得更小，更密集，所以其更容易受到静电放电（ESD）的影响。 设计工程师必须了解如何保护这些芯片组以确保其可靠性。

高度敏感的芯片组和对更快数据的需求要求使用这些新协议的汽车模块具有出色的ESD保护。 紧凑型封装的低电容，低钳位ESD保护器件可以帮助使高级汽车操作安全，可靠和高效。

人们为了向工程界提供一个统一且可重复的ESD缓解计划，创建了ISO 10605文件。ISO 10605 ESD脉冲的严重性足以确保芯片组在受到直接冲击时难以承受。为了进行稳健、可靠的设计，工程师应在设计过程的早期考虑ESD保护解决方案。此外，工程师应审查并理解这些模块所需的系统级ESD测试。

ISO 10605模拟了车辆内部或外部的人体放电。它特别包括装配中的ESD、由服务人员引起的ESD和由乘客引起的ESD。 ISO 10605部分基于IEC 61000-4-2，这是系统级ESD抗扰性的标准。 但是，它有一些针对汽车用途的关键规定。 一方面，ISO 10605没有定义应力电压的特定上限。 对于直接接触放电，测试电压通常在2 kV至15 kV的范围内，对于通过气隙放电的测试电压通常在15 kV至25 kV的范围内。 此外，一些汽车制造商已经设计了自己的ESD应力等级-一些零件的规格可高达30 kV接触，30 kV气隙放电。

ISO 10605测试使用两种不同的电阻2kΩ和330Ω来模拟不同类型的ESD事件。 2kΩ电阻代表人体直接通过皮肤放电，而330Ω电阻则模拟人体通过金属物体放电。 该测试还在两种不同的电容上进行：150 pF和330 pF。 这些值分别代表车辆内部和外部的人体。 330 pF和330Ω测试是任何ISO 10605测试参数中最高的能量/电流，因此是使用最广泛的测试标准。

ESD保护解决方案的制造商专门设计用于处理特殊汽车模块的元件。 考虑以下一些示例可能会很有用

联网的车辆将携带“车辆对车辆（V2V）”和“车辆对基础设施（V2I）”通信模块，这些模块使车辆能够执行诸如基于其它车辆的速度和位置进行动态计算的任务。 该技术的目标之一是防止车辆撞到其它车辆或行人，使交通流量顺畅并加快寻找停车位的速度，并可能促进基于位置的广告和促销。 美国DoT认为V2V通信可以防止多达79％的车辆撞车事故。

用于V2X模块的典型ESD保护设备旨在抑制高达30 kV的快速上升的ESD瞬变，同时几乎不增加电路电容，这对于维持日益增长的汽车连接使用特性的高速通信线路上的信号完整性至关重要。 这些双向表面贴装聚合物器件，以商品名PulseGuard或Xtreme-Guard命名，旨在以足够低的电压足够快地导通，以防止损坏受保护部件。

TVS二极管还设计用于高速以太网网络，现在已经针对汽车环境进行了优化。 高速以太网将允许多个车载系统（例如信息娱乐系统和自动驾驶员辅助系统）通过单根非屏蔽双绞线电缆同时访问高带宽数据吞吐量。

汽车以太网仅使用两条通信线路即可实现100和1,000 Mbps的通信。 与以太网类似，HDBaseT具有连接ADAS，远程信息处理，A / V和显示应用程序的途径。 HDBaseT提供高达2 Gbps的吞吐速度，还可以将数据移动到15 m（50 ft），而不会丢失数据完整性。 该协议还可以传输多种数据类型，包括音频/视频，USB / PCIe，以太网，控制信号，甚至在同一数据对上加电。

具有40kb / sec至1 Mb / sec波特率的CAN总线没有足够的带宽来处理最先进的自动驾驶汽车系统。 尽管如此，CAN和LIN总线系统将继续在汽车电子系统中扮演重要角色，可以通过SM24CANB TVS二极管阵列等器件保护CAN和LIN数据线免受ESD和其它过电压瞬变的影响。 SM24CANB系列可吸收超过IEC 61000-4-2国际标准规定的最大水平的重复ESD冲击，而不会降低性能，并能以低钳位电压安全地消耗10A的8/20 µsec浪涌电流（IEC 61000-4-5第二版）。

展望未来，HDBaseT将提供更高的吞吐量，使其也被视为数据骨干。 预期它将最终处理4、8、12和16 Gbps的速度。 高度敏感的芯片组以及对更快数据的需求将需要出色的ESD保护。紧凑型封装的低电容，低钳位ESD保护器件将有助于使高级汽车操作安全，可靠和高效。

汽车HDBaseT数据线可以采用AQ255NUTG形式的ESD保护，这是一种低电容TVS二极管阵列，还可以防止CDE（电缆放电事件），EFT（电快速瞬变）和高速差分数据线的光感应浪涌，它封装在一个µDFN封装（3.0x2.0 mm）中，每个元件可以保护多达四个通道或两个差分对，最大保护45 A（IEC 61000-4-5第二版）和最高30KV ESD（ IEC 61000-4-2）。“直通”设计最大程度地减少了信号失真，减少了电压过冲，并简化了PCB设计。

参考文献

Littelfuse Inc. | 汽车应用指南