汽车高速数据线的低电容ESD保护方案——NIV2161/NIS2161

在当今的汽车电子领域，高速信号接口的应用越来越广泛，如信息娱乐系统、连接系统和高级驾驶辅助系统（ADAS）等。然而，这些高速信号接口面临着诸多电气危害，如静电放电（ESD）和瞬态事件，以及短接到电池和接地的故障。因此，选择合适的保护方案至关重要。本文将详细介绍安森美（onsemi）的NIV2161/NIS2161器件，它为汽车高速数据线提供了出色的ESD保护以及短接到电池和接地的保护。

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产品概述

NIV2161/NIS2161专为保护高速数据线免受ESD以及短接到车辆电池的情况而设计。其超低电容和低ESD钳位电压使其成为保护电压敏感高速数据线的理想解决方案，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。该器件采用直通式封装，便于PCB布局，并能匹配高速差分线（如USB和LVDS协议）所需的走线长度，以保持一致的阻抗。

产品特性

• 低电容：典型值为0.40 pF（I/O到地），可减少对信号的影响，降低信号衰减。
• 符合标准：提供对IEC 61000 - 4 - 2（4级）和ISO 10605标准的保护。
• 集成MOSFET：用于短接到电池和接地的保护。
• 汽车应用适用：NIV前缀适用于汽车和其他需要独特场地和控制变更要求的应用，符合AEC - Q101标准且具备生产件批准程序（PPAP）能力。
• 环保合规：无铅、无卤素/无溴化阻燃剂（BFR），符合RoHS标准。

典型应用

• 汽车高速信号对，如USB 2.0/3.0、LVDS、APIX 2/3等。

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至 +150	°C
存储温度范围	(T_{STG})	-55至 +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，可能会发生损坏并影响可靠性。

电气特性

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
反向工作电压	(V_{RWM})	I/O引脚到地			16	V
击穿电压	(V_{BR})	(I_T = 1 mA)，I/O引脚到地	16.5	23		V
反向漏电流	(I_R)	(V_{RWM} = 5 V)，I/O引脚到地			1.0	μA
钳位电压	(V_C)	(I_{PP} = 1 A)，I/O引脚到地（8/20 μs脉冲）			29	V
钳位电压（注2）	(V_C)	IEC61000 - 4 - 2，+8 kV接触	见图1和图2
钳位电压TLP（注3）	(V_C)	(I{PP} = ±8 A)，(I{PP} = 16 A)		39、66		V
结电容匹配	(Delta C_J)	(V_R = 0 V)，(f = 1 MHz)，I/O 1到地和I/O 2到地之间		1.0		%
结电容	(C_J)	(V_R = 0 V)，(f = 1 MHz)，I/O引脚到地（引脚7到地，引脚9到地）		0.40		pF
漏源击穿电压	(V_{BR(DSS)})	(V_{GS} = 0 V)，(I_D = 100 μA)	30			V
漏源击穿电压温度系数	(V_{BR(DSS)}/T_J)	参考25°C，(I_D = 100 μA)		27		mV/°C
零栅压漏电流	(I_{DSS})	(V{GS} = 0 V)，(V{DS} = 30 V)			1.0	μA
栅源漏电流	(I_{GSS})	(V{DS} = 0 V)，(V{GS} = ±5 V)			±1.0	μA
栅阈值电压（注4）	(V_{GS(TH)})	(V{DS} = V{GS})，(I_D = 100 μA)	0.1	1.0	1.5	V
栅阈值电压温度系数	(V_{GS(TH)}/T_J)	参考25°C，(I_D = 100 μA)		-2.5		mV/°C
漏源导通电阻	(R_{DS(on)})	(V_{GS} = 4.5 V)，(I_D = 125 mA)		1.4	7.0	Ω
		(V_{GS} = 2.5 V)，(I_D = 125 mA)		2.3	7.5
正向跨导	(g_{fs})	(V_{DS} = 3.0 V)，(I_D = 125 mA)		80		ms
开关导通延迟时间（注5）	(t_{d(ON)})	(V{GS} = 4.5 V)，(V{DS} = 24 V)，(I_D = 125 mA)，(R_G = 10 VΩ)		9		ns
开关导通上升时间（注5）	(t_r)		41		ns
开关关断延迟时间（注5）	(t_{d(OFF)})		96		ns
开关关断下降时间（注5）	(t_f)		72		ns
漏源正向二极管电压	(V_{SD})	(V_{GS} = 0 V)，(I_S = 125 mA)		0.79	0.9	V
3 dB带宽	(f_{BW})	(R_L = 50Ω)		5		GHz

注：

1. 除非另有说明，产品参数性能在电气特性中列出的测试条件下给出。如果在不同条件下运行，产品性能可能无法通过电气特性体现。
2. 测试程序见图3和图4以及应用笔记AND8307/D。
3. ANSI/ESD STM5.5.1使用传输线脉冲（TLP）模型进行静电放电灵敏度测试。TLP条件：(Z_0 = 50 Ω)，(t_p = 100 ns)，(t_r = 4 ns)，平均窗口：(t_1 = 30 ns)到(t_2 = 60 ns)。
4. 脉冲测试：脉冲宽度 ≤ 300 μs，占空比 ≤ 2%。
5. 开关特性与工作结温无关。

ESD电压钳位与TLP测量

ESD电压钳位

对于敏感电路元件，在ESD事件期间将IC暴露的电压限制在尽可能低的水平非常重要。ESD钳位电压是ESD事件期间ESD保护二极管两端的电压降，遵循IEC 61000 - 4 - 2波形。由于IEC 61000 - 4 - 2是作为手机或笔记本电脑等大型系统的通过/失败规范编写的，因此在规范中未明确规定如何在器件级别指定钳位电压。安森美开发了一种方法，通过示波器截图在ESD脉冲的时域内检查ESD保护二极管两端的整个电压波形，这些截图可在所有ESD保护二极管的数据表中找到。更多信息可参考AND8307/D。

传输线脉冲（TLP）测量

传输线脉冲（TLP）提供电流与电压（I - V）曲线，其中每个数据点来自充电传输线的100 ns长矩形脉冲。典型TLP系统的简化原理图如图7所示。ESD保护器件的TLP I - V曲线准确地展示了产品的ESD能力，因为数十安培的电流水平和低于100 ns的时间尺度与ESD事件相匹配。图8将8 kV IEC 61000 - 4 - 2电流波形与8 A和16 A的TLP电流脉冲进行了比较。TLP I - V曲线显示了器件导通的电压以及器件在一系列电流水平下的钳位电压能力。更多关于TLP测量及其解释的信息，请参考AND9007/D。

典型MOSFET性能曲线

文档中提供了一系列典型MOSFET性能曲线，包括导通区域特性、传输特性、导通电阻与栅源电压的关系、导通电阻与漏电流和栅电压的关系、导通电阻随温度的变化以及漏源漏电流与电压的关系等。这些曲线有助于工程师更好地了解器件的性能，从而进行合理的设计。

应用信息

汽车高速信号接口面临的问题

当今的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。这些汽车高速信号接口可能遇到的电气危害包括制造和组装过程中、车辆乘员或车辆中其他电路产生的破坏性ESD和瞬态事件。主要涉及ESD和瞬态事件的文档有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）。ISO 10605基于IEC 61000 - 4 - 2行业标准，规定了各种ESD信号特性级别，同时还包括额外的车辆特定要求。此外，通常还会施加OEM特定的测试要求。另外，这些高速信号对需要防止短接到电池（高达16 VDC）和短接到接地的故障。

NIV2161的解决方案

NIV2161为这些高速信号接口提供了ESD保护以及短接到电池和接地情况的解决方案。其ESD保护设计符合IEC 61000 - 4 - 2 4级标准，典型的I/O到地电容为0.65 pF，电容匹配紧密以保持信号完整性。低动态电阻允许非常低的钳位电压，16.5 V的击穿电压使器件能够承受短接到电池的情况（范围为9 V至16 V）。串联FET设计具有非常低的导通电阻（RDS(ON)），并采用内部布局实现直通式设计，以保持高速信号完整性。1.0 V的阈值电压允许在与USB、LVDS和其他低电平信号一致的低栅极驱动电压下工作。

PCB布局指南

为了确保应用的最大ESD生存能力和信号完整性，需要对ESD保护器件进行适当的放置和信号走线路由。具体步骤如下：

• 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。
• 确保使用差分设计方法和所有高速信号走线的阻抗匹配。
• 尽可能使用弯曲走线，以避免不必要的反射。
• 保持差分数据通道的正负极线之间的走线长度相等，以避免共模噪声产生和阻抗不匹配。
• 在高速对之间放置接地，并尽可能保持对之间的距离，以减少串扰。

工作模式

NIV2161有三种不同的工作模式：正常（稳态）、短接到电池事件和短接到接地事件。

• 正常操作（稳态）：在正常操作中，MOSFET在线性模式下工作，所有源极和漏极电压几乎相等，有效地将信号电平从USB收发器传递出去。为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NIV2161的低阈值电压为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。可在MOSFET源极到栅极之间添加一个上拉电阻，当为应用正确指定时（通常 > 15 kΩ 是合适的），该电阻在正常操作中是透明的，不会阻碍链路通信。当栅极断电且链路不活动时，该上拉电阻（无论阻值大小）会使栅极放电，并完全隔离数据线与线路驱动器，防止任何刺激损坏数据线驱动器。根据链路速度和信号电平，电阻值过低（通常为5 kΩ或更小）会产生更强的上拉效应，可能会扭曲链路，因此在设计过程中必须考虑。
• 短接到电池（STB）事件：当NIV2161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。当数据通道在STB事件期间开启时，NIV2161主动使用内部MOSFET以类似于电平转换的方式进行钳位，因为MOSFET在饱和区域工作。源极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。通过这种方式，NIV2161通过限制终端电流和对数据端口进行电压钳位来保护数据端口。
• 短接到接地（STG）事件：在主动STG事件期间，NIV2161的保护功能通过共享源极MOSFET配置以及被动使用双向ESD二极管配置实现。在此事件中，数据线输出短接到电池地或信号控制器的本地地（以及任何板载电源调节器）与电池地断开连接。NIV2161的双向ESD二极管通过反向连接的ESD二极管阻止任何反向电流路径到数据线输出，同时不影响ESD保护功能。在被动STG事件期间，USB收发器或任何板载分立元件的内部调节器的电流源通常足够弱，不会对终端造成与电源相关的损坏。

总结

NIV2161/NIS2161是一款专为汽车高速数据线设计的低电容ESD保护器件，具有出色的性能和多种保护功能。其低电容、低导通电阻和良好的钳位电压特性使其能够有效保护高速信号接口免受ESD和短接到电池、接地故障的影响。在PCB布局和应用设计中，遵循相关指南和考虑工作模式的特点，可以充分发挥该器件的优势，确保汽车电子系统的可靠性和稳定性。你在实际应用中是否遇到过类似的ESD保护问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。