白皮书

汽车高速视频链路的ESD保护

在不影响信号完整性的情况下保护高速视频链路的挑战

Nexperia ESD和EMC应用市场营销经理Dr.-Ing. Andreas Hardock
Nexperia ESD和EMC产品经理Lukas Droemer

自动驾驶是预计将会改变汽车行业未来的重大趋势之一。要让自动驾驶得到成功采用，必须克服各种障碍，例如驾乘人员需要更高的安全性和更多信息。这类需求又推动了高级辅助驾驶系统(ADAS)和安全信息娱乐应用的发展，使它们能够在未来的自动驾驶汽车中得到使用。

随着自动驾驶趋势的发展，汽车内部的摄像头和显示屏数量迅

串行数据流的物理实现可以使用低压差分信号(LVDS)进行差分

能满足用户对高质量内容的需求，但对于这些敏感的接口而链路，但它们不是标准，因而在这里不再讨论。）此外，除了速增长。虽然视频链路提供了足够的数据速率（高达16GB），言，汽车仍然不是友好的使用环境。此类复杂链路采用的物理
层(PHY)技术需要符合汽车电磁兼容性(EMC)要求的外部静电(ESD)保护。对于ESD保护，这会带来一些新的挑战。一方面，ESD器件应该保护电路，防范高电压ESD事件。另一方面，在正处理，也可以使用同轴电缆进行单端处理。（也可以使用光学
传输数据流之外，具有单端物理层的视频链路接口有时还会用

来向ECU供电。对于同轴单端链路，此技术被称为同轴电缆供电(PoC)，类似于数据线供电(PoDl)或以太网供电(PoE)。

常工作过程中，ESD器件应该是最不起眼的组件，不应对信号完视频链路接口主要用于传输视频数据。最常见的应用是在信息的主要本质参数是ESD器件的结电容。随着数据速率提高，对更ADAS应用的摄像头）。特别是对于摄像头来说，PoC功能非整性(SI)产生严重影响。除了封装和布线之外，满足信号完整性

低结电容的需求将会增加。本文将讨论ESD保护器件对信号完整性的影响，并与其他链路组件进行比较，例如差分视频链路中的线缆、连接器和PCB。为此，我们将在ADS中构建从Rx到Tx
的完整链路，并执行散射参数仿真。

视频链路
视频链路也称串行器/解串器(SerDes)，是指使用串行接口传输从并行数据流中获得的数据的设备总称。这些接口为高带宽、点对点式的设计，通常延迟性能并不关键。这些接口主要是单向工作，或是双向工作，而其中一个方向的带宽明显高于另一方向。

娱乐中连接显示屏、车身和辅助应用（例如泊车摄像头和用于
常有吸引力。在现代化区域体系结构中，视频链路接口可提供
出色的点对点连接，以满足高分辨率传感器数据的需要。目前行业提倡对汽车应用的视频链路接口进行标准化，但尚未发布通用的标准。因此，在汽车领域中，用户普遍使用专有解决方案，下面我们举几个例子。

APIX — 汽车像素链路

FPD-Link — 平板显示器链路汽车像素链路(APIX)由Inova Semiconductors设计，并于2008

FPD-link最初是为视频显示而设计的，但将摄像头连接到ADAS

视频信号。第三代APIX3已于2016年发布，数据速率最高达到

用中非常受欢迎。FPD-Link III支持通个单个链路实现高达13.3

年由Fujitsu授予许可。它可用于在长达15 m的距离内传输数字6GB/秒。

计算单元也很常见。如今，FPD-link由TI拥有，在汽车ADAS应Gbit/s的数据速率和双向通信。此外，FPD-Link III允许在单端链路中使用同轴电缆和PoC。

GMSL — 千兆多媒体串行链路
GMSL是Maxim Integrated专有的SerDes接口，主要用于摄像头应用。第三代GMSL将数据速率提高至10GB/秒以上，还可支持PoC。

例如车载主机连接器带屏蔽的传输模式~ 几米(STP)例如显示屏、HUD

连接器CMC

CMC
Tx

Rx
ESD2

ESD1

带屏蔽层的电容耦合，目的是避免高反向电流（可选）ESD1

ESD1/2和CMC是可选的，
具体取决于PHY的要求和鲁棒性ESD2带屏蔽层的电容耦合，目的是避免高反向电流（可选）ESD保护器件的两个可能
位置：ESD1或ESD2

图1：差分视频链路的原理图，包括收发器和接收器。

aaa-033481

视频链路的ESD要求

通常，在汽车测试中，还要为视频链路执行“电池短路”测

上文介绍的三种视频链路接口对外部保护有相似的要求。正如

器件的反向截止电压(VRWM)高于13.5V。如果不执行电池短路

上文所述，在选择合适的ESD保护器件时，应该重点关注两个
主要参数：ESD和信号完整性。下面我们将对这两个参数进行论述。

为了实现10kV或更高的ESD保护，并在实际应用中构建非常稳定的系统，必须采用先进的保护技术，例如可控硅整流器试。在这种情况下，ESD1位置可能已被占用，这要求ESD保护

测试，则可以选择5V或更低的VRWM。由于在直流电路电容具有“隔直”作用，因此ESD2位置不受电池短路测试的影响。在这种情况下，可以使用5V或更低的截止电压。某些情况下，需要有带屏蔽层电缆的电容耦合，可看作是ESD保护器件的可能接地参考。

(SCR)和开基晶体管。如图1所示，ESD保护器件有两个可能位

当今汽车的信息娱乐系统需要高分辨率、高质量的视频流。因

ESD1，这样就会直接在远离敏感的PHY和电路的连接器处钳住

13Gbps的高数据速率，今后还可能提高到16Gbps。在此类场景置：ESD1和ESD2。要达到最佳ESD保护性能，应选择的位置是ESD脉冲。

2汽车高速视频链路的ESD保护此视频链路的数据速率日益加快。新一代视频链路已经达到了下，对于设计工程师而言，信号完整性扮演着非常关键的角色。

选择ESD保护器件时，如果将信号完整性作为关注重点，则要

对于信号完整性而言，器件电容Cd是最重要的参数之一。由于

常小，通常低于1V。在这种情况下，ESD保护器件充当一个电这一点非常关键。此电容对散射参数的全面影响如图2所示，最考虑多个参数。正常工作过程中，ESD保护器件两端的电压非

数据速率高达16GB/秒，因此必须达到小于1 pF的超低Cd值，容，并联在信号传输路径上。

高频率达到6GHz。

aaa-033482

0S21(dB)-2-4

PESD30VF1BL

Nexperia-6

双向ESD保护二极管

9. 特性

Cd = 0.3 pF

表6. 特性-8

符号参数

反向截止电压VRWM
VBR-100123CdVCL

图2：典型的器件电容值的插入损耗与频率。低于1.1pF的电容值对信号传输几乎没有影响。

IR = 10 mA：Tamb = 25ºC

二极管电容 4

f = 1 MHz；VR：Tamb =525ºC

钳位电压IPPM = 1 A：Tamb = 25ºC

VR = 30 V：Tamb = 25ºC

至低于0.5pF的电容值都允许很好的信号传输。

典型值最大值单位

-1.0-30

V反向击穿电压

-1.5

IR = 10 mA：Tamb = 25ºC

313439V

VR = 30 V：Tamb = 25ºC-二极管电容f = 1 MHz；VR：Tamb = 25ºC

VCL

钳位电压

IPPM = 1 A：Tamb = 25ºC

[1]-

IPP = 16 A：Tamb = 25ºC

[2]-Rdyn动态电阻双向ESD保护二极管23V

IR = 7.5 A：Tamb = 25ºC

[2]-0.7-Ω最小值

典型值最大值单位

--30V313439V50nA

0.4pF

-VIRM

9. 特性
表6. 特性符号

VRWM
VBRIRM
CdCd

条件

反向截止电压反向漏电流

参数条件

反向截止电压
反向击穿电压
反向漏电流
二极管电容VCL钳位电压Rdyn

动态电阻-

Tamb = 25ºC

CC9C - 0.27 pF

IR = 10 mA：Tamb = 25ºC

TermG
V = 30 V：Tamb = 25ºC
TermG11 R
Num = 11 f = 1 MHz；VR：Tamb = 25ºC
Z = 50 Ω IPPM = 1 A：Tamb = 25ºC
测得的散射参数
IPP = 16 A：Tamb = 25ºC
IR = 7.5 A：Tamb = 25ºC

1 2RefTermG
TermG9Num = 9
Z = 50 Ω

S2P
SNP8CC9C - 0.27 pF

TermG
TermG11[1]0.150nA

0.270.4pF

6.5-

V

PESD30VF1BL-

TermG
0.1
TermG120.27
Num= 12Z = 50 Ω6.5-[2]-23-

V[2]-

0.7-

ΩTermG
TermG10Num = 10Z = 50 Ω39V-

0.150nA6-

0.270.4pF

-

6.5-

V-

V

IR = 7.5 A：Tamb = 25ºC

[2]-0.7-ΩCC9C - 0.27 pF

TermG
TermG12
Num = 12Z = 50 Ω

测得的散射参数

TermG
TermG10Num = 10Z = 50 ΩS2P
SNP80-参数

34-0.5最小值VBR

Nexperia

IL(dB)

Tamb = 25ºC

符号VRWM

V3123TermG
TermG9
Num = 9Z = 50 Ω效应比较小。此外，它们通常具有很小的管脚尺寸，只会对信

表6. 特性单位30

1 2RefDFN（双侧扁平无引脚封装），与有引脚封装相比，它的寄生

双向ESD保护二极管

最大值--TermG
TermG11
Num = 11
Z = 50 Ω生很大影响。一般来说，最佳选择是紧凑型无引脚封装，例如ESD保护器件的电容可以视为显性值。
9. 特性

典型值

-[2]

另外，封装及其对信号线路布线的影响，可能对信号完整性产

号线路的布线产生很小的影响，因而对阻抗的影响也非常小。
Nexperia
PESD30VF1BL

频率(GHz)[1]最小值IPP = 16 A：Tamb = 25ºC

低于1pF的电容值的曲线在3dB极限值上方，0.5pF的电容值的曲线甚至在1dB上方。因此，在最高6GHz的频率下，低于1pF甚

Cd = 1.5 pF

反向击穿电压

动态电阻Rdyn

Cd = 1.0 pF

Tamb = 25ºC

反向漏电流

IRM

Cd = 0.5 pF

条件-2.0Cd = 0.27 pH 仿真
PESD30VF1BL 测量0IL -2.5(dB)-0.5-3.00

RL(dB)-1.0-1.5-10-2.0

Cd = 0.27 pH 仿真
PESD30VF1BL 测量-20-2.5

Cd = 0.27 pH 仿真
PESD30VF1BL 测量-3.0-300
RL -40(dB)
0-1012345

TermG
TermG126
频率(GHz)aaa-033483

图3：Cd = 0.27pF的器件电容的散射参数仿真，以及与实际器件测量的散射参数的比较。在最高6GHz的频率下，仿真结果与实测值比较一致。
Num = 12
Num = 11-20Z = 50 Ω3测得的散射参数汽车高速视频链路的ESD保护 1Z = 50 Ω

TermG
TermG9
Num = 9Cd = 0.27 pH 仿真
PESD30VF1BL 测量-30

2RefS2P
SNP8TermG
TermG10
Num = 10-400123456

图3显示了仿真器件的电容与实际ESD保护器件PESD30VF1BL的连接器使用120Ω不匹配的微带线进行仿真。事实上，连接器的型值进行仿真。该产品是一种微型的无引脚表面贴装器件(SMD)间或更高，这对整个信号传输至关重要。

测量值的比较。在这里，我们使用数据手册中的Cd = 0.27pF典塑料封装，可防止一条信号线被ESD和其他瞬态脉冲损坏。在最高6GHz的频率下，插入损耗(IL)和回波损耗(RL)都比较接近，这
表明器件电容为信号完整性提供了很好的指示。

为了研究对整个链路的信号完整性的影响，包括串行器(Tx)和解串器(Rx)，我们在ADS中对整个PCB和线缆传输进行了仿真，请参见图4。我们使用100Ω的有损微带线，对PCB进行仿真。使用典型的FR4作为基板，ε-r=4.6，tanδ = 0.02。我们选择100nF

电容器作为直流模块。采用典型的10米长的屏蔽双绞线线缆(SPP)，测量散射参数。

阻抗在很大程度上取决于PCB层叠和布局，可能在60至150Ω之为了研究ESD保护器件的影响，我们使用了Nexperia PESD30VF1BL的测量散射参数。该器件的典型电容值为0.27pF，采用非常紧凑的无引脚封装(SOD882BD)。应该注意，在此设置中，由于采
用非常紧凑的封装，它对信号完整性的影响很小，我们没有考虑PCB布线方面。图4显示了在使用和不使用ESD保护器件的情况下，从Tx到Rx的完整链路的散射参数比较（IL和RL）。我们可以发现，线缆、连接器和PCB对参数的影响最大。ESD保护器件的影响不太重要。

ESD保护测量散射参数

1厘米（400密耳）1厘米（400密耳）

Tx有损微带线（≈100 Ω差分）Ɛr = 4.6，tan δ = 0.02

SPP120 Ω

3厘米（1200密耳）1厘米（400密耳）连接器3厘米（1200密耳）连接器1厘米（400密耳）

ESD保护

Rx有损微带线（≈100 Ω差分）Ɛr = 4，tan � = 0.02

0|S-param|(dB)-5-10-15-20-25-30-35-40

0

1

2

3

45

频率(dB)
aaa-033484

图4：a) ADS中的链路设计，旨在研究ESD保护器件对差分散射参数的影响。
b) 与链路中的其他组件（例如线缆或连接器）相比，ESD器件的影响非常小。

4汽车高速视频链路的ESD保护6结论现代汽车系统对信息娱乐和安全性的需求急剧增长，因而我们需要非常先进的高速解决方案，可以通过EMC合规性测试，并在实际应用中保持稳定可靠。ESD可能导致出现故障，甚至导致对系统的不可逆破坏，这正是制造商会花费大量成本召回产品

的原因所在。ESD保护器件是避免这些故障、保持系统高度可靠
稳定所必需的。

除了现有的视频链路协议之外，汽车行业内部正在探讨其他一些替代技术。汽车SerDes联盟是一个开放委员会，其创立目的是制定高速视频链路的通用标准，提供更多的可靠性和性能保证。

同时，测试表明，Nexperia针对信息娱乐设计提供的车规级器件

兼具低电容、低钳位电压和高ESD鲁棒性优势。这些产品采用相同的有源可控硅整流技术来克服传统保护难题。因此，电容可以低至0.5 pF，钳位电压只有3 V，器件可承受高达10 A 8/20 µs的浪涌和ESD脉冲。另外，这些ESD保护器件符合所有汽车认证标准，采用非常紧凑和合适的高速封装。

关于Nexperia

Nexperia是大批量生产基础半导体器件的专家，其产品广泛应用于全球各类电子设计。该公司的产品组合包括
二极管、双极性晶体管、ESD保护器件、MOSFET器件、氮化镓场效应晶体管(GaN FET)以及模拟IC和逻辑IC。

Nexperia的总部位于荷兰奈梅亨，每年交付900多亿件产品，产品符合汽车行业标准。其产品在效率（如工艺、尺寸、功率及性能）方面获得行业广泛认可，拥有先进的小尺寸封装技术，可有效节省功耗及空间。Nexperia拥有超过12,000名员工，分布在亚洲、欧洲和美国。
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发布日期：
2021年7月