LIN接口的ESD防護分析

引言：ESD保護一直是電子設(shè)計的重要組成部分，隨著集成水平的不斷提高，工藝幾何形狀的不斷縮小，ESD引起的損傷比以往任何時候都更具威脅性，再加上對便攜式電子產(chǎn)品日益增長的需求，ESD保護已成為系統(tǒng)級的一個重要問題。隱藏在系統(tǒng)中的ESD問題，會增加現(xiàn)場故障的風(fēng)險，縮短系統(tǒng)壽命，以及其他難以管理且解決成本高昂的質(zhì)量相關(guān)問題，與現(xiàn)場維修和產(chǎn)品召回相關(guān)的售后成本可能會造成嚴(yán)重?fù)p失，質(zhì)量問題還會嚴(yán)重?fù)p害品牌。

1.ESD防護導(dǎo)論

在ESD沖擊的情況下，ESD二極管將被擊穿并產(chǎn)生低阻抗路徑通過將電流轉(zhuǎn)移到地來限制峰值電壓和電流，從而保護IC。

圖3-1：ESD/TVS管作用路徑

圖3-2將典型的無保護ESD沖擊（紅色）的峰值電壓與具有ESD二極管保護的信號線上的相同ESD沖擊（青色）進行比較。

圖3-2：靜電前后波形

基于先進工藝的半導(dǎo)體器件僅提供器件級ESD規(guī)范，而測試使用的是充電器件模型（CDM）和人體模型（HBM）。器件級ESD規(guī)范不足以保護系統(tǒng)中的設(shè)備，系統(tǒng)級ESD沖擊相關(guān)的能量遠(yuǎn)高于器件級ESD沖擊，這意味著需要更穩(wěn)健的設(shè)計來防止這種多余的能量。為系統(tǒng)添加全面的ESD保護不僅是智能工程，也是在產(chǎn)品生命周期后期預(yù)防問題的一種低成本、簡單的方法，完善和穩(wěn)健的ESD防護體系具備以下特征：

1：更大的系統(tǒng)級抗擾度（IEC61000-4-2 4級及以上標(biāo)準(zhǔn)）。

2：超低箝位電壓，即使是SoC設(shè)備中最新、最小的幾何形狀也能得到保護。

3：將對總線和接口信號完整性的影響降至最低。

4：低漏電流，實現(xiàn)最大能效和模擬接口失真最小化。

5：在單個設(shè)備中結(jié)合多線保護的陣列。

6：簡化PCB設(shè)計以優(yōu)化布局的封裝。

2.LIN基礎(chǔ)

LIN是面向低成本汽車和工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的通用接口支線，如果對CAN網(wǎng)絡(luò)所具備的更高數(shù)據(jù)速率和通用性沒有要求，則通常會使用該接口。該接口可將模塊連接至與現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡(luò)連接的子總線，使用LIN的典型模塊包括座椅、門鎖、車鏡，或者作為傳感器的接口，例如降雨探測器。該接口使用單線串行通信協(xié)議，以低速運作，最大數(shù)據(jù)速率為20kbit/s，總線電壓電平與電源電壓大致相同，在12V板級系統(tǒng)電壓中，通常為14.4V。

3.LIN的ESD防護分析

LIN收發(fā)器建議在LIN總線連接上提供外部ESD保護，以便擴展模塊可耐受的ESD電壓電平，保護其免受組裝或維護過程中引入的可能ESD事件的影響，以保持系統(tǒng)的魯棒性。此外，應(yīng)該選擇能夠耐受最大電池電壓且不會受損的ESD保護二極管，以防LIN總線線路短接至電池線路。對于12V板節(jié)點，最大電池電壓為16V，但通常也會考慮從24V卡車電池快速啟動。相對于局部ECU接地，ECU的動作電壓范圍定義在8V至18V之間，根據(jù)該范圍定義，VRWM應(yīng)高于18V，雙向ESD二極管通常用于擊穿電壓大于±27V的LIN總線應(yīng)用，具體原因如下。

LIN總線使用單端傳輸，在EMC測試期間，電容耦合射頻信號等的電壓電平可能會超過二極管的擊穿電壓。如果電壓超過ESD保護二極管的擊穿電壓，則通信信號被限制到二極管的鉗位電壓VCL。擊穿電壓越高，EMC測試電平開始產(chǎn)生影響（即干擾顯性和隱性電壓電平）的時間就越遲，整體系統(tǒng)對感應(yīng)噪聲和EMI具有更高的耐受性。如果二極管的VBR≥27V，則收發(fā)器模塊可通過汽車行業(yè)所要求的典型EMC測試。為避免影響模塊的EMC性能，可以說擊穿電壓越高越好。另一方面，對于ESD事件，必須實現(xiàn)足夠的鉗位性能。此外，二極管電容Cd必須低于100pF，這樣才能在20kbit/s的最大數(shù)據(jù)速率下保持信號完整性，但是為了盡量減少二極管對系統(tǒng)的總影響，Cd應(yīng)小于30pF（考慮還有線纜的寄生電容）。

如圖3-3所示，D1保護一條汽車局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）總線免受ESD和其他瞬態(tài)造成的損壞，其不對稱的內(nèi)部二極管配置確保了受保護的LIN ECU的電磁抗干擾性得到優(yōu)化。

圖3-3：具有單個設(shè)備的LIN系統(tǒng)架構(gòu)，用于保護LIN節(jié)點

4.小結(jié)

在更常見的12V電池汽車系統(tǒng)中，由于LIN總線的工作電壓達(dá)到電池電壓，因此需要具有24V工作電壓二極管的ESD二極管。這是因為如果在電池充電情況下存在接線錯誤，則可能會產(chǎn)生雙倍的電池電壓。由于單通道類型在布局上具有靈活性，因此通常優(yōu)選單通道類型，此外，最小化電容有助于增加總線信號完整性的魯棒性。對于LIN總線，推薦表3-1的參數(shù)：

表3-1：LIN總線ESD/TVS diode選型參數(shù)參考