onsemi Nix1161 系列：汽车高速数据线的 ESD 防护解决方案

在当今汽车电子技术飞速发展的时代，汽车内的高速数据传输变得越来越普遍，如信息娱乐系统、连接系统和先进驾驶辅助系统（ADAS）等。然而，这些高速数据线路面临着静电放电（ESD）以及短路到汽车电池等风险，因此有效的防护至关重要。onsemi 的 Nix1161 系列产品就是为解决这些问题而设计的。

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一、产品概述

Nix1161 系列旨在保护高速数据线免受 ESD 以及短路到汽车电池情况的影响。它具有超低电容和低 ESD 钳位电压的特点，非常适合保护对电压敏感的高速数据线。同时，低导通电阻（RDS(on)）的场效应管（FET）可限制信号线上的失真。其直通式封装便于 PCB 布局，并能匹配走线长度，以保持高速差分线（如 USB 和 LVDS 协议）之间的一致阻抗。

二、产品特点

（一）低电容特性

Nix1161 系列的电容典型值为 0.65 pF（I/O 到地），这种低电容特性能够有效减少对高速信号的影响，确保信号的完整性。对于高速数据传输来说，电容的大小直接影响着信号的衰减和失真程度，低电容可以降低信号的损耗，使数据传输更加稳定。

（二）符合标准

该系列产品符合 IEC 61000 - 4 - 2（Level 4）和 ISO 10605 标准，这意味着它能够为数据线提供可靠的 ESD 防护，满足汽车电子系统对 ESD 防护的严格要求。

（三）集成 MOSFET

1. 短路到电池和 USB VBUS 阻断：集成的 MOSFET 能够有效地阻止短路到电池和 USB VBUS 的情况，保护数据线和相关设备免受损坏。
2. 可焊侧翼器件：NIV1161MTWTAG 具有可焊侧翼，便于进行自动光学检测（AOI），提高生产效率和产品质量。

（四）汽车应用认证

产品带有 NIV 前缀，适用于汽车及其他有独特场地和控制变更要求的应用。它通过了 AEC - Q101 认证，并具备生产件批准程序（PPAP）能力，符合汽车行业的严格标准。

（五）环保特性

这些器件无铅、无卤素/无溴化阻燃剂（BFR），符合 RoHS 标准，体现了环保理念。

三、典型应用

（一）汽车高速信号对

在汽车的各种高速信号传输场景中，如信息娱乐系统、ADAS 等，Nix1161 系列可以为高速信号对提供可靠的 ESD 防护，确保信号的稳定传输。

（二）USB 2.0

对于汽车内的 USB 2.0 接口，该系列产品能够保护数据线免受 ESD 冲击，同时保证数据传输的高速和稳定。

（三）LVDS

在 LVDS（低压差分信号）传输中，Nix1161 系列可以维持差分线之间的一致阻抗，减少信号失真，提高传输质量。

四、绝对最大额定值

额定值	符号	值	单位
工作结温范围	(T_{J(max)})	-55 到 +150	°C
储存温度范围	(T_{STG})	-55 到 +150	°C
漏源电压	(V_{DSS})	30	V
栅源电压	(V_{GS})	±10	V
引脚焊接温度	(T_{SLD})	260	°C
IEC 61000 - 4 - 2 接触（ESD）	ESD	±8	kV
IEC 61000 - 4 - 2 空气（ESD）	ESD	±15	kV

需要注意的是，超过最大额定值表中列出的应力可能会损坏器件。如果超过这些限制，不能保证器件的功能正常，可能会发生损坏并影响可靠性。

五、电气特性

（一）反向工作电压

反向工作电压（(V_{RWM})）最大为 16 V（I/O 引脚到地），这决定了器件在反向偏置时能够承受的最大电压。

（二）击穿电压

击穿电压（(V_{BR})）在测试电流 (I_T = 1 mA) 时，最小值为 16.5 V，典型值为 23 V（I/O 引脚到地）。当电压超过击穿电压时，器件会进入击穿状态。

（三）反向漏电流

反向漏电流（(IR)）在 (V{RWM} = 5 V) 时，最大值为 1.0 μA（I/O 引脚到地）。较小的反向漏电流可以减少功耗，提高器件的效率。

（四）钳位电压

1. 在 (I_{PP} = 1 A)（8/20 μs 脉冲）时，钳位电压（(V_c)）最大为 26 V（I/O 引脚到地）。
2. 在 IEC61000 - 4 - 2 ±8 kV 接触测试中，钳位电压可参考图 1 和图 2。
3. 在传输线脉冲（TLP）测试中，不同电流下的钳位电压也有相应的数值。

（五）结电容

1. 结电容匹配（(Delta C_J)）在 (V_R = 0 V)，(f = 1 MHz) 时，典型值为 1.0%（I/O1 到地和 I/O2 到地之间）。
2. 结电容（(C_J)）在 (V_R = 0 V)，(f = 1 MHz) 时，典型值为 0.65 pF（I/O 引脚到地）。

（六）其他特性

还包括漏源击穿电压、漏源击穿电压温度系数、零栅压漏电流、栅源漏电流、栅阈值电压、栅阈值电压温度系数、漏源导通电阻、正向跨导、开关特性以及漏源正向二极管电压等特性，这些特性共同决定了器件的性能和应用范围。

六、应用信息

（一）汽车高速信号接口面临的问题

现代联网汽车使用多个高速信号对接口用于各种应用，如信息娱乐、连接和 ADAS。这些接口面临着 ESD 和瞬态事件的风险，可能由制造和组装过程、车辆乘员或其他电气电路引起。相关的标准包括 ISO 10605（道路车辆 - 静电放电电气干扰测试方法）和 ISO 7637（道路车辆 - 传导和耦合引起的电气干扰）。此外，高速信号对还需要防止短路到电池（最高 16 VDC）和短路到地的故障。

（二）合适的防护解决方案要求

1. 低电容负载：为了最小化信号衰减，信号线路的电容负载要低。
2. 快速响应：能够快速响应浪涌和瞬态，具有低钳位电压。
3. 小封装尺寸：小封装尺寸可以减少对电路板空间的需求，同时便于走线，保持信号完整性。

（三）PCB 布局指南

1. 可以使用顶部金属走线将引脚 4 和 6 连接到各自的腹部焊盘，因为这两个引脚在内部是相连的。
2. 将 ESD 保护器件尽可能靠近 I/O 连接器放置，以减少 ESD 到地的路径，提高保护性能。
3. 使用差分设计方法和所有高速信号走线的阻抗匹配。
4. 尽可能使用弯曲走线，避免不必要的反射。
5. 保持差分数据通道的正负极线之间的走线长度相等，避免共模噪声产生和阻抗不匹配。
6. 在高速对之间放置接地，并尽量增加对之间的距离，以减少串扰。

（四）工作模式

1. 正常运行（稳态）：在正常运行时，MOSFET 在线性模式下工作，源极和漏极电压几乎相等，有效地传递来自 USB 收发器的信号电平。为了确保成功的链路通信，施加的栅极电压必须大于数据线的最大信号电平加上 MOSFET 器件的最大阈值电压。由于 NIV1161 的低栅阈值电压为 1.5 V，3.3 V 和 5 V 的栅极驱动都适合为大多数通信协议提供余量。此外，还可以在 MOSFET 源极到栅极之间添加一个上拉电阻，以实现共模电压的电平转换。
2. 短路到电池（STB）事件：当 NIV1161 和数据通道关闭时，一对 MOSFET 体二极管被动保护 USB 收发器的端口。当数据通道开启时，NIV1161 主动使用内部 MOSFET 进行钳位，类似于电平转换，因为 MOSFET 在饱和区域工作。源节点将增加到阈值电压减去一个非常小的工作电压，低于栅极电位，从而允许电流流入数据端口，受端口阻抗限制，直到栅源电压稳定在阈值电压之上。这样，NIV1161 通过限制终端电流和钳位 STB 电压来保护数据端口。

七、机械尺寸

Nix1161 系列有两种封装：WDFN6 2x2, 0.65P（CASE 511CB）和 WDFNW6 2.0x2.2, 0.65P（CASE 515AK），文档中详细给出了这两种封装的尺寸信息，包括各个尺寸的最小值、最大值等，同时还提供了推荐的安装 footprint 尺寸。在进行 PCB 设计时，需要根据这些尺寸信息来合理安排器件的布局和走线。

八、总结

onsemi 的 Nix1161 系列产品为汽车高速数据线提供了全面的 ESD 防护解决方案。其低电容、高防护能力、集成 MOSFET 等特点使其非常适合汽车电子应用。在实际设计中，工程师需要根据产品的电气特性、应用要求和 PCB 布局指南来合理使用该系列产品，以确保汽车高速数据传输的稳定性和可靠性。你在使用这款产品时，是否也遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。