Whitepaper

ESD-Schutz für High-Speed-Video-Links
im Automobil
Lösungen für die Herausforderung, High-Speed-Video-Links vor elektrostatischen
Entladungen zu schützen, ohne die Signalintegrität zu beeinträchtigen

Dr.-Ing. Andreas Hardock, Applikationsmarketingmanager für ESD und EMV, Nexperia
Lukas Droemer, Produktmanager für ESD und EMV, Nexperia

Autonomes Fahren ist einer der großen Trends, die die Zukunft der Automobilindustrieverändern werden. Dessen erfolgreiche Einführung hängt von der Überwindung vonBarrieren ab, wie z. B. dem Bedürfnis nach mehr Sicherheit und Informationen für den
Fahrer und die Fahrgäste. Dies wiederum treibt die Entwicklung von ADAS- (Advanced Driver
Assist Systems) und Sicherheits-/Infotainment-Anwendungen für den Einsatz in zukünftigen
autonomen Fahrzeugen voran.

Durch diesen Trend vervielfacht sich die Anzahl der Kameras
und Displays am und im Auto rasant. Video-Links bieten zwar
ausreichende Datenraten (bis zu 16 Gbit/s), um qualitativ
hochwertige Inhalte zu übertragen, allerdings sind Fahrzeuge
eine raue Umgebung für diese sensiblen Schnittstellen. Die
PHY- (physical layer, Bitübertragungsschicht) Technologie
für solche hochentwickelten Verbindungen erfordert einen
externen Schutz gegen elektrostatische Entladungen (ESD,electrostatic discharge), der mit den EMV-Anforderungen(EMC, electromagnetic compatibility) konform sein muss. Fürden ESD-Schutz ergeben sich daraus neue Herausforderungen.
Einerseits sollte das ESD-Schutzbauteil die Schaltung gegenhohe ESD-Spannungen schützen. Andererseits sollte eswährend des Normalbetriebs möglichst “unbemerkbar” sein,d. h. die Signalintegrität nicht nennenswert beeinträchtigen.
Neben der Gehäusebauform und dem Leiterbahn-Routing
ist hauptsächlich die Kapazität des ESD-Schutzbauteils
ein entscheidender Einflussfaktor für die Signalintegrität.
Angesichts immer weiter steigender Datenraten werden
Schutzbauteile mit immer kleinerer Kapazität benötigt.
In diesem Beitrag wird der Einfluss des ESD-Schutzbauteils
auf die Signalintegrität im Vergleich zu anderen
Verbindungskomponenten wie Kabel, Steckverbinder undLeiterplatte in einem differentiellen Video-Link diskutiert.
Zu diesem Zweck wird die gesamte Verbindung von Rx bis
Tx mittels S-Parametern in ASD simuliert.
Video Links
Video Links oder Serializer/Deserializer (SerDes) sind
Oberbegriffe für Bausteine oder Funktions-blöcke mit einer
seriellen Schnittstelle zur Übertragung von Daten, die aus
einem parallelen Datenstrom stammen. Diese Schnittstellensind für hohe Bandbreiten und Punkt-zu-Punkt-Verbindungenausgelegt, wobei die Latenz normalerweise nicht kritisch ist.
Die Schnittstellen arbeiten unidirektional oder bidirektional,
wobei im bidirektionalen Fall die Bandbreite in einer
Richtung meistens deutlich höher als in der anderen ist. Die
physikalische Implementierung des seriellen Datenstroms
kann differenziell sein, unter Verwendung von LVDS (Low
Voltage Differential Signaling), oder unsymmetrisch (singleended), unter Verwendung eines Koaxialkabels. (Optische
Verbindungen sind ebenfalls möglich, sind aber nicht Standard
und werden deshalb hier nicht behandelt). Weiterhin werdenSingle-Ended-Video-Link-Schnittstellen manchmal auch zur
Stromversorgung eines Steuergeräts genutzt. Für koaxiale
Single-Ended-Verbindungen wird diese Technik Power-overCoax (PoC) genannt, ähnlich wie Power-over-Data-Line (PoDl)oder Power-over-Ethernet (PoE).
Video-Link-Schnittstellen werden hauptsächlich zurÜbertragung von Videodaten verwendet. Die häufigsten
Anwendungen im Infotainment sind: Verbindung von Displays,
Karosserie- und Komfortanwendungen wie Einparkkameras
und Kameras für ADAS-Anwendungen. Besonders für Kameras
ist die PoC-Funktionalität sehr attraktiv. In der modernen
Zonen-Architektur sind Video-Link-Schnittstellen die adäquate
Punkt-zu-Punkt-Übertragungslösung für hochauflösendeSensordaten. Obwohl eine Initiative zur Standardisierung vonVideo-Link-Schnittstellen für Automobilanwendungen läuft,ist derzeit noch kein gemeinsamer Standard verfügbar. Daher
sind im Automobilbereich proprietäre Lösungen üblich,
wie die folgenden Beispiele zeigen.

APIX – Automotive Pixel Link
Automotive Pixel Link (APIX) wurde von Inova
Semiconductors entwickelt und im Jahr 2008 von Fujitsu
lizenziert. Diese Technologie eignet sich für die Übertragung
digitaler Videosignale über Entfernungen von bis zu 15 m.
Die dritte Generation von APIX3 ist seit 2016 verfügbar
und unterstützt Datenraten bis 6 Gbit/s.
GMSL – Gigabit Multimedia Serial Link
GMSL ist eine proprietäre SerDes-Schnittstelle von Maxim
Integrated, die hauptsächlich für Kameraanwendungengenutzt wird. Die dritte Generation unterstützt Datenratenbis über 10 Gbit/s und bei Bedarf auch PoC.

e.g. Head Unit

Connector

FPD-Link – Flat Panel Display Link
FPD-Link wurde ursprünglich für Displays entwickelt,
wird aber auch häufig zum Anschluss von Kameras an
ADAS-Recheneinheiten verwendet. Heute ist FPD-Link im
Besitz von TI und sehr beliebt für ADAS-Anwendungen im
Automobil. FPD-Link III unterstützt Datenraten von bis zu
13,3 Gbit/s und bidirektionale Kommunikation auf einem
einzigen Link. In einer Single-Ended-Variante unterstützt
FPD-Link III die Verwendung von Koaxialkabel und PoC.

Shieldedtransmission~ several meters(STP)

e.g. display, HUD

Connector

CMC

CMC
Tx

Rx
ESD2

ESD1

Capacitive coupling of theshield to avoid high reverse
currents (optional)

ESD1

ESD1/2 and CMC are(optional), depending on
requirements and therobustness of the PHY

ESD2

Capacitive coupling of theshield to avoid high reverse
currents (optional)

Two possible positions
for ESD protection:
ESD1 or ESD2

aaa-033481

Abbildung 1: Schaltbild einer differenziellen Video-Link-Verbindung einschließlich Transceiver und Empfänger.

ESD-Anforderungen an Video Links
Die Anforderungen an externen ESD-Schutz sind für alleoben erwähnten Video-Link-Schnittstellen gleich. Wie bereits
erwähnt, gibt es zwei Hauptaspekte, auf die man sich bei der
Auswahl des passenden ESD-Schutzbauteils konzentrieren
sollte: ESD (Schutz vor elektrostatischen Entladungen) und SI(Signalintegrität). Beide werden wir im folgenden diskutieren.
Für einen robusten ESD-Schutz bis zu 10 kV oder mehr
unter realen Einsatzbedingungen benötigt man modernste
Schutztechnik – wie z. B. einen Thyristor (SCR, siliconcontrolled rectifier) oder einen Transistor mit offener
Basis. Wie in Abbildung 1 dargestellt, gibt es zwei mögliche
Positionen für ein ESD-Schutzbauteil: ESD1 und ESD2. Füreine optimale ESD-Schutzwirkung wird man die Position
ESD1 wählen, die den ESD-Impuls direkt am Steckverbinder“abwürgt”, weit entfernt von dem empfindlichen PHY und der
Schaltung. Video-Links für Automobilanwendungen werdenüblicherweise auch auf ‘Kurzschluss nach Batterie’ getestet.
In diesem Fall sollte die ESD1-Position bestückt werden;

2

ESD-Schutz für High-Speed-Video-Links im Automobil

hierfür wird ein ESD-Schutzbauteil mit einer VRWM (reverse
standoff voltage) von mehr als 13,5 V benötigt. Falls‘Kurzschluss nach Batterie’ nicht zu testen ist, kann ein Bauteil
mit einer VRWM von 5V oder weniger gewählt werden. Die
Position ESD2 ist von dem ‘Kurzschluss nach Batterie’-Test
nicht betroffen, da die Kondensatoren den Gleichstrom
abblocken. Hier können Standoff-Spannungen von 5 V oderweniger gewählt werden. In einigen Fällen ist eine kapazitive
Kopplung des Kabelschirms erforderlich und kann eventuell
als möglicher Massebezug für das ESD-Schutzbauteil dienen.
Das heutige Infotainment im Automobil erfordert einenhochauflösenden und qualitativ hochwertigen Videostream.
Dadurch steigen die Anforderungen an die Datenrate
von Video-Links rapide. Bei den neuen Generationen
von Video-Links ist eine Datenrate von bis zu 13 Gbit/s
Stand der Technik und wird in Zukunft bis zu 16 Gbit/s
steigen. In solchen Szenarien spielt die Signalintegrität
für Entwicklungsingenieure eine Schlüsselrolle.

Bei der Auswahl eines ESD-Schutzbauteils mit Hinblick auf die
Signalintegrität gibt es mehrere Parameter zu beachten. Im
Normalbetrieb ist die Spannung über dem ESD-Schutzbauteil
sehr klein, normalerweise unter 1 V. In diesem Fall verhält
sich das ESD-Schutzbauteil wie eine Parallelkapazität im
Signalpfad. Cd ist einer der Parameter mit dem größten

Einfluss auf die Signalintegrität. Angesichts der hohen
Datenrate von bis zu 16 Gbit/s sind hier nur sehr kleine
Cd-Werte <1 pF akzeptabel.
Abbildung 2 zeigt die Auswirkung von Cd auf die Einfügungsdämpfung (S21) im Frequenzbereich bis 6 GHz.

aaa-033482

0
S21
(dB)
-2

-4

-6

PESD30VF1BL

Nexperia

Bidirectional ESD protection diodeCd = 0.3 pF

9. Characteristics-8

Table 6. Characteristics
Parameter

Conditions

Cd = 1.0 pF

VRWM

Reverse standoﬀ voltage

Tamb = 25ºC

Cd = 1.5 pF

VBR

Breakdown voltage

IR = 10 mA: Tamb = 25ºC

IRM

Reverse leakage
4 current

VR = 30 V: Tamb = 25ºC

Cd

Diode capacitancef = 1 MHz; VR: Tamb = 25ºC

VCL

Clamping voltage

Symbol

-10
0

1

2

3

5

Rdyn

Dynamic resistanceBei Kapazitätswerten unter 1 pF bleibt die Signaldämpfung
bis 6 GHz deutlich unter 3 dB, bei 0,5 pF sogar unter 1 dB.
Das bedeutet, dass Kapazitätswerte unter 1 pF oder gar
unter 0,5 pF eine nahezu unverfälschte Signalübertragungbis 6 GHz ermöglichen.
Darüber hinaus können das Bauteilgehäuse und dessen
Einfluss auf das Routing der Signalleitungen einen
erheblichen Einfluss auf die Signalintegrität haben.
In der Regel sind kompakte, bleifreie Gehäuse wie DFN(Dual-Flat No Leads) die beste Wahl, da sie im Vergleich
zu bedrahteten Gehäusen eine kleinere Parasitärkapazität
Nexperia
PESD30VF1BL
aufweisen. Außerdem beeinflussen sie dank ihrer
sehr
Bidirectional ESD protection diode9. Characteristics
kleinenGrundfläche kaum das Routing der Signalleitungen
Table 6. Characteristics
und damit
deren Impedanz. Daher ist die Kapazität desConditions
Min
Typ
Max
Parameter
SymbolUnit
ESD-Schutzbauteils
die dominante Einflussgröße.
V
30
Reverse standoﬀ voltage T = 25ºC
V

Nexperia

VBR

Breakdown voltage

IRM
Cd

IR = 10 mA: Tamb = 25ºC

31

Reverse leakage current

VR = 30 V: Tamb = 25ºC-

Diode capacitancef = 1 MHz; VR: Tamb = 25ºC-

VCL

Clamping voltage

Rdyn

Dynamic resistance

IPPM = 1 A: Tamb = 25ºC

[1]

IPP = 16 A: Tamb = 25ºC

[2]

IR = 7.5 A: Tamb = 25ºC

[2]

-

39

V

0.1

50

nA

0.27

0.4

pF

6.5

-

V

23

-

V

34

PESD30VF1BL
0.7Ω-

Bidirectional ESD protection diode9. Characteristics

VRWM
VBR
IRM
Cd

ConditionsC
C9
TermG Tamb = 25ºC
C - 0.27 pF
TermG11
=
10
mA:
T
=
25ºC
I
Breakdown voltage
Num = 11 R
amb
Z current= 50 Ω VR = 30 V: Tamb = 25ºC
Reverse leakage
Measured S-ParMin

Parameter

Diode capacitance

VCL

Clamping voltage

Rdyn

Dynamic resistancef = 1 MHz; VR: Tamb = 25ºC
IPPM = 1 A: Tamb = 25ºC

IPP = 16 A: Tamb = 25ºC

1 2
Ref

TermG
I = 7.5 A: Tamb = 25ºC
TermG9 R
Num = 9Z = 50 Ω

[1]
[2]

S2P
SNP8

Typ

TermG
TermG12
Num
= 12
34
31
Z -= 50 Ω0.1

Reverse standoﬀ voltage

[2]

Max

Unit

30

V

39

V

50

nA

-

0.27

0.4

pF

-

6.5

-

V

-

23

-

V

-

Ω

TermG 0.7
TermG10
Num = 10
Z = 50 Ω

Unit

30

V

31

34

39

V

0.1

50

nA

6

-

0.27

0.4

pF

[1]

-

6.5

-

V

-

23

-

V

-

0.7

-

Ω

amb

[2]

IR = 7.5 A: Tamb = 25ºCC
C9
C - 0.27 pF

TermG
TermG11
Num = 11
Z = 50 Ω

Measured S-Par

TermG
TermG12
Num = 12Z = 50 Ω

1 2
Ref
TermG
TermG9
Num = 9Z = 50 Ω

IL
(dB)

TermG
TermG10
Num = 10
Z = 50 Ω

S2P
SNP8

0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
Cd = 0.27 pH simulation
PESD30VF1BL measurement

-2.5

IL
(dB)
RL
(dB)

Table 6. Characteristics

Max

-

(

amb

RWM

Typ

-

Freq (GHz)

IPPM = 1 A: Tamb = 25ºC
PP

Min

-

Abbildung 2: Einfügungsdämpfung über der Frequenz für verschiedene Werte von Cd. Werte unter 1,1 pF haben nahezu keinen[2]
T = 25ºC auf die Signalintegrität.
I = 16 A:Einfluss

Symbol

-3.0
0
0

-0.5

-1.0
-10
-1.5
-20

-2.0

Cd = 0.27 pH simulation

-30
-2.5

CdPESD30VF1BL= 0.27 pH simulation
measurement
PESD30VF1BL measurement

-3.0

-40

0 0

1

2

3

RL
(dB)

4

5
6
Frequency (GHz)aaa-033483-10C
Abbildung 3: S
 -Parameter-Simulation eines ESD-Schutzbauteils
mit einer Kapazität Cd = 0,27 pF im Vergleich zu gemessenen S-Parametern.
TermG
C9
TermG
Die
beiden Kurven zeigen eine CguteÜbereinstimmung
bis
6
GHz.
TermG12- 0.27 pF
3(

Cd = 0.5 pF

TermG11
Num = 11
Z = 50 Ω

Num = 12Z = 50 Ω-20

Measured S-Par
ESD-Schutz für High-Speed-Video-Links
im Automobil

-30

1 2
Ref
TermG

TermG

Cd = 0.27 pH simulation
PESD30VF1BL measurement

S-Parameter eines typischen SPP- (shielded parallel pair) Kabels
mit einer Länge von 10 m repräsentiert. Der Steckverbinder
wurde durch einen fehlangepassten 120-Ω-Microstrip-Leitersimuliert. In der Realität ist die Impedanz des Steckverbinders
sehr stark von der Layer-Struktur und vom Layout derLeiterplatte abhängig und kann zwischen 60 bis 150 Ω odermehr variieren; das kann sich sehr stark auf die Signalintegrität
des gesamten Signalpfades auswirken.

Abbildung 3 zeigt die Simulation eines ESD-Schutzbauteils
im Vergleich zu einer Messung an einem realen ESDSchutzbauteil (PESD30VF1BL). Die Simulation erfolgte mit
dem im Datenblatt angegebenen Cd -Wert von 0,27 pF.
Das PESD30VF1BL ist ein winziges SMD-Bauteil im
Kunststoffgehäuse, das eine einzelne Signalleitungvor Beschädigung durch elektrostatische Entladungenoder sonstige Transienten schützt. Sowohl die
Einfügungsdämpfung (IL) als auch die Rückflussdämpfung(RL) stimmen zwischen Simulation und Messung bis 6 GHz
gut überein. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bauteilkapazität
sich gut dazu eignet, den Einfluss des Bauteils auf die
Signalintegrität abzuschätzen.

Um den Einfluss des ESD-Schutzbauteils zu untersuchen,wurden für die Simulation die gemessenen S-Parameterdes Nexperia PESD30VF1BL verwendet. Dieses Bauteil hat
eine typische Kapazität von 0,27pF und besitzt ein sehr
kompaktes SMD-Gehäuse (SOD882BD). Wegen der winzigen
Gehäuseabmessungen können die Einflüsse des Gehäuses
auf das Leiterbahnen-Routing und die Signalintegrität
vernachlässigt werden; deshalb wurde auf eine Simulation
dieser Effekte verzichtet. Abbildung 4 vergleicht die
S-Parameter (IL und RL) der gesamten Verbindung von Tx
zu Rx mit und ohne ESD-Schutzbauteil. Es ist zu erkennen,
dass das Kabel, die Steckverbinder und die Leiterplatte
dominieren. Der Beitrag des ESD-Schutzbauteils hingegenfällt nicht groß ins Gewicht.

Um den Einfluss auf die Signalintegrität der gesamten
Verbindung einschließlich Serializer (Tx) und Deserializer(Rx) zu untersuchen, wurde die gesamte Leiterplatte und die
Kabelübertragung in ADS simuliert, siehe Abbildung 4. Die
Leiterplatte wurde mittels verlustbehafteter 100-Ω-MicrostripLeiter simuliert. Als Substratmaterial wurde für die Simulation
ein typisches FR4 mit εr=4,6 und tanδ = 0,02 verwendet.
Bei den DC-Sperrkondensatoren handelt es sich um ideale
100-nF-Kondensatoren. Das Kabel wird durch die gemessenen

ESD Protection
measured S-param

1 cm(400 mil)

1 cm(400 mil)Tx

Lossy microstriplines (≈100 Ω diﬀerential)
Ɛr = 4.6, tan δ = 0.02

SPP

120 Ω

3 cm
(1200 mil)

1 cm
(400 mil)Connector

3 cm(1200 mil)Connector

1 cm(400 mil)

ESD Protection

Rx

Lossy microstriplines (≈100 Ω differential)
Ɛr = 4, tan � = 0.02

0|S-param|
(dB)
-5

-10

-15
-20

-25
-30

-35
-40

0

1

2

3

4

5

6
Freq (dB)aaa-033484

Abbildung 4: a ) ADS-Setup für die Simulation der kompletten Verbindung zwecks Analyse des Einflusses eines ESD-Schutzbauteils auf die S-Parameter.
b) Der Einfluss des ESD-Schutzbauteils ist wesentlich kleiner als die Einflüsse der übrigen Komponenten im Signalpfad, wie z. B. Kabel oder Steckverbinder.

4

ESD-Schutz für High-Speed-Video-Links im Automobil

FazitDer explosionsartig zunehmende Bedarf an Infotainment
und Sicherheit in modernen Auto-mobilsystemen erfordert
hoch anspruchsvolle, EMV-konforme und robuste HighSpeed-Lösungen. ESD kann Fehlfunktionen oder sogar
eine irreversible Zerstörung des Systems verursachen, waskostspielige Rückrufaktionen erforderlich machen könnte.
ESD-Schutzbauteile sind notwendig, um das zu vermeiden
und größtmögliche Systemzuverlässigkeit und Robustheitzu gewährleisten.
Neben den existierenden Video-Link-Protokollen werden
in der Automobilindustrie noch diverse Alternativen
diskutiert. Das offene Komitee Automotive Serdes Alliance
wurde gegründet, um einen gemeinsamen Standard fürHochgeschwindigkeits-Videolinks zu schaffen, der die
Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit dieser Verbindungengewährleisten soll.

In der Zwischenzeit zeigen Tests, dass die AEC-qualifizierten,für Infotainment-Systeme entwickelten ESD-Schutzbauteile
von Nexperia die ideale Kombination von geringer
Kapazität, niedriger Klemmspannung und hoher ESDFestigkeit bieten. Mit ihrer aktiven Thyristor-Technologie
meistern diese Bauteile die gestiegenen Herausforderungenbeim ESD-Schutz, die herkömmliche Lösungen überfordern.
Diese Technologie liefert überzeugende Ergebnisse: Kleine
Kapazität ab 0,5 pF, Klemmspannung von nur 3 V undStoßspannungs- und ESD-Festigkeit bis 10 A 8/20 µs. Diese
ESD-Schutzbauteile sind mit allen AEC-Spezifikationen
konform und besitzen ein äußerst kompaktes und fürHochgeschwindigkeitsanwendungen geeignetes Gehäuse.

About Nexperia
Nexperia is a leading expert in the high-volume
production of essential semiconductors that are
required by every electronic design in the world.
The company’s portfolio includes diodes, bipolartransistors, ESD protection devices, MOSFETs,
GaN FETs and analog & logic ICs. Headquartered in
Nijmegen, the Netherlands, Nexperia annually ships
more than 90 billion products, meeting automotive
standards. These products are recognized as
benchmarks in efficiency – in process, size, power
and performance — with industry-leading small
packages that save valuable energy and space.
Nexperia has over 12,000 employees across Asia,
Europe and the US.
Find your regional sales office here

Weitere Informationen über ESD-Schutzbauteile von Nexperia, die speziell für Automobil-anwendungenentwickelt wurden, finden Sie unter:
www.nexperia.com/applications/automotive/multimedia-bus-protection.html© 2021 Nexperia B.V.
All rights reserved. Reproduction in whole or in part is prohibited without the prior written consent of
the copyright owner. The information presented in this document does not form part of any quotationor contract, is believed to be accurate and reliable and may be changed without notice. No liability will
be accepted by the publisher for any consequence of its use. Publication thereof does not convey nor
imply any license under patent- or other industrial or intellectual property rights.

nexperia.com

Date of release:
July 2021