雷卯：车载以太网100M/1000M ESD国产器件保护方案

发布时间：2023-05-04 13:51
作者：Ameya360
来源：雷卯
阅读量：2745

　　随着汽车的数字电子化、自动驾驶系统的需求，传统的CAN、LIN汽车通讯协议已经不能满足汽车的信号传输数据需求，以太网正是其中一个比较理想的改进方案；它能同时适用于域控制（Domain Control）和区块控制（Zonal Control）。

　　以太网的优点是它可以支持不同的连接方式：

　　1.直接连接汽车的中控计算机，无线网络，ECU，传感器

　　2.连接汽车的中控计算机，无线网络，ECU再以CAN/LIN连接传感器

　　自动驾驶系统的信息来源为雷达，光达，高清摄像头等，数据的传输数据量和系统的反应速度需求较高，通常主干网需求10GB，支网为100MB～1GB，传统的CAN/LIN难以满足需求，一种新型的车载以太网便应运而生。但以太网应用在车载这新应用环境，我们需要解决高振动、高温度、高湿度、高污染、高撞击及高电磁干扰(EMI)等恶劣的应用环境潜在问题。雷卯电子提供基于IEEE 100BASE-T1和1000BASE-T1开放技术联盟标准，专用于保护两条总线线路免受ESD和其他瞬变造成的损坏的车载保护方案。

雷卯：车载以太网100M/1000M ESD国产器件保护方案

　　从以上方案可以看出，在车载以太网总线上需放置2个ESD器件。雷卯提供的该ESD采用硅基工艺，与压敏电阻等替代ESD保护解决方案相比，具有多项优势。它们的可靠性更高，改进的3pF（最大值）二极管电容可确保信号完整性更高。、

雷卯：车载以太网100M/1000M ESD国产器件保护方案

　　雷卯电子器件可以替代PESD2ETH1GXT-Q、PESD1ETH1GLS-Q和PESD1ETH1GXLS-Q型号。

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　　在电子制造领域，MSL等级是看似不起眼却至关重要的参数，直接关系到电子元件在SMT回流焊过程中的可靠性。上海雷卯电子的雷卯EMC小哥经常接到客户关于MSL等级的咨询，今天就带大家系统拆解这一电子元件可靠性核心指标。　　MSL(Moisture Sensitivity Level)等级是JEDEC制定的湿敏等级标准，用于表征电子元器件对潮湿环境的敏感程度，防止在回流焊接过程中因内部水分汽化膨胀导致"爆米花"效应。上海雷卯电子作为深耕半导体元件16年的领军企业，深知正确理解和应用MSL等级，对保障产品质量、提升生产效率的关键意义。　　一、MSL等级的分类标准　　根据JEDEC J-STD-020D标准，MSL等级共分为8级，不同等级的元件防潮要求差异显著：　　雷卯EMC小哥提醒，MSL等级数字越大，元件对湿气的敏感度越高，允许暴露在开放环境的时间越短。MSL等级的划分主要基于元件封装材料的吸湿性和耐热性，等级越高，封装材料越容易吸收水分且在高温下越容易失效。　　二、湿气对电子元件的影响及"爆米花"效应　　湿气对电子元件的影响主要体现在物理损伤和化学腐蚀两方面：　　物理损伤上，湿敏元件暴露在潮湿环境中时，水分会渗入封装内部。在SMT回流焊230-260℃高温下，水分急剧汽化膨胀，引发"爆米花"效应，导致封装脱层、金线焊点损伤、芯片微裂纹，严重时甚至元件鼓胀爆裂。上海雷卯电子在实际测试中发现，无铅焊接工艺因温度远高于传统有铅工艺，对湿气更敏感，这也是MSL等级在无铅时代愈发重要的原因。　　化学腐蚀方面，湿气中的钾、钠、氯等离子会引发电化学腐蚀，生成水合氧化物会削弱封装树脂与金属的粘结力，导致分层后潮气更易侵入，大幅降低元件可靠性。　　三、MSL等级的测试方法和验证流程　　元件制造商需按标准流程验证MSL 等级，上海雷卯电子也遵循这一规范保障产品品质：　　初始检测：用扫描声学显微镜(SAT)检测元件，确认封装无缺陷或分层现象。　　烘烤除湿：在125℃±5℃、湿度<5%　　RH的环境中烘烤1-2小时，去除内部水分。　　吸湿处理：将烘烤后的元件在30℃/60%RH条件下暴露192小时，模拟元件在车间环境中吸湿的情况。　　回流焊模拟：对吸湿后的元件进行三次标准峰值温度260℃回流焊测试，模拟元件在生产、维修和再次生产过程中的受热情况。　　终检测：再次使用SAT和X-RAY检测封装结构完整性，并进行电气功能测试。若元件通过三次回流焊测试且无任何分层或功能失效，则确定其MSL等级。如果元件出现封装开裂、分层面积超过封装总面积的5%或关键电气参数超出允许范围，则需要降低MSL等级重新测试。　　四、不同MSL等级元件的防潮处理建议　　结合上海雷卯电子的实践经验，雷卯EMC小哥给出各等级元件防潮方案：　　MSL1级元件：这类元件对湿气抵抗力最强，在≤30°C/85%　　RH环境下可无限期存放，建议使用铝制包装与卷盘干燥剂一起密封存储，延长元件寿命。ESD/TVS二极管因具体型号、封装差异，常见的湿敏等级包括MSL1、MSL3等。　　MSL2/2a级元件：在≤30°C/60%　　RH环境下，MSL2级元件可存放一年，MSL2a级可存放四周，开封后需严格控制车间环境湿度≤60%　　RH，温度≤30°C，并记录开封时间。如果开封后存放时间超过规定期限，建议按照125℃/5%RH条件下烘烤12-48小时。　　MSL3-5a级元件：高湿敏等级元件需要特别注意防潮　　1.烘烤参数：对于Tray盘封装的元件，烘烤温度通常为125℃±5℃，时间与元件厚度相关(如MSL3级1.2mm厚度的元件需烘烤9小时)。对于Reel盘封装的元件，由于无法直接接触热源，烘烤温度通常为40℃，湿度≤5%RH，烘烤9天。　　2.车间寿命管理：开封后必须严格记录暴露时间，并在车间寿命内完成焊接。超过车间寿命的元件必须重新烘烤处理，烘烤后的时间可重新计算。　　3.防潮包装：使用"护航三件套"——防潮袋(MBB)、干燥剂(硅胶/分子筛)和湿度指示卡(HIC)进行密封存储。当湿度指示卡上的10%RH指示点变色时，表明元件可能已受潮，需要重新烘烤处理。　　4.存储环境：未开封元件存放于温度25°C±5°C、湿度<40%　　RH的环境中。　　MSL6级元件：对湿气极为敏感，车间寿命仅12小时，使用前需在125℃/5%RH条件下烘烤24小时以上，开封后立即焊接。　　MSL等级是电子制造中的关键可靠性指标，尤其在元件小型化和无铅工艺普及后更显重要。　　雷卯EMC小哥建议：建立元件MSL数据库，记录等级、开封时间和有效期;控制车间温湿度在 25°C±5°C、湿度< 40% RH;按MSL等级和封装类型制定烘烤与存储方案;高等级元件优先生产，避免长时间暴露;定期培训员工，提升MSL等级应用能力。科学管理MSL等级元件，能有效降低湿气导致的焊接缺陷，提升产品可靠性。
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　　采用电池是最方便干净的电源，为电子电路提供电压。还有许多其他方法，为电子设备供电，如适配器，太阳能电池等，但最常见的直流电源是电池。通常，所有设备都带有防反接保护电路，但是如果您有任何电池供电的设备没有防反接保护，那么在更换电池时始终必须小心，否则它可能会炸毁设备。　　因此，在这种情况下，防反接保护电路将是电路的有用补充。有一些简单的方法可以保护电路免受反极性连接的影响，例如使用二极管或二极管桥，或者将P沟道MOSFET用作HIGH侧的开关。　　使用二极管的极性反接保护　　使用二极管是极性反接保护最简单、最便宜的方法，但它存在漏电问题。当输入电源电压很高时，小的压降可能没关系，特别是当电流较低时。但在低压操作系统的情况下，即使是少量的压降也是不可接受的。　　众所周知，通用二极管上的压降为0.7V，因此我们可以通过使用肖特基二极管来限制此压降，因为它的压降约为0.3V至0.4V，并且还可以承受高电流负载。选择肖特基二极管时要注意，因为许多肖特基二极管都具有高反向电流泄漏，因此请确保选择具有低反向电流(小于100uA)的二极管。　　雷卯电子有专门开发的超低Vf肖特基二极管和超低漏流的肖特基二极管，适合防反接使用。　　在4安培时，电路中肖特基二极管的功率损耗为：　　4x 0.4V= 1.6W　　在普通二极管中：　　4x 0.7 V=2.8W　　所以肖特基在电路中的节能效果明显，如果电路电流较大，也可以选用DO-277封装的肖特基二极管，比如雷卯电子SS10U60。　　整流桥堆防反接保护　　我们也可以使用全桥整流器进行防反接保护，因为它与极性无关。但是桥式整流器由四个二极管组成，因此在单二极管的上述电路中，功率浪费量将是功率浪费的两倍。　　使用P 沟道MOSFET 的防反接保护　　使用P沟道MOSFET进行反接极性保护比其他方法更可靠，因为它具有低压降和高电流能力。该电路由一个P沟道MOSFET、齐纳二极管和一个下拉电阻组成。如果电源电压低于P沟道MOSFET的栅极至源电压(Vgs)，则只需要不带二极管或电阻的MOSFET。您只需要将MOSFET的栅极端子连接到接地即可。　　现在，如果电源电压大于Vgs，则必须降低栅极端子和源极之间的电压。下面提到了制造电路硬件所需的组件。　　P 沟道场效应管 型号根据电流电压选择　　采用P沟道MOSFET的极性反接保护电路的工作原理　　现在，当您按照电路图连接电池时，具有正确的极性，它会导致晶体管打开并允许电流流过它。如果电池向后或以反极性连接，则晶体管关闭，我们的电路将受到保护。　　该保护电路比其他保护电路更有效。让我们分析一下当电池以正确的方式连接时，P沟道MOSFET将导通，因为栅极和源极之间的电压为负。查找栅极和源极之间电压的公式为：Vgs= (Vg- Vs)　　当电池连接不正确时，栅极端子的电压将为正极，我们知道P沟道MOSFET仅在栅极端子的电压为负时(此MOSFET的最低-2.0V或更低)导通。因此，每当电池以相反方向连接时，电路都将受到MOSFET的保护。　　现在，让我们来谈谈电路中的功率损耗，当晶体管导通时，漏极和源极之间的电阻几乎可以忽略不计，但为了更准确，您可以浏览P沟道MOSFET的数据表。对于LMAK30P06P 沟道MOSFET，静态漏源导通电阻(RDS(ON))为0.020Ω(典型值)。因此，我们可以计算电路中的功率损耗。　　如下所示：功率损耗=I*I*R　　假设流经晶体管的电流为1A。所以功率损耗将是　　功率损耗=I2R= (1A)2*0.02Ω= 0.02W　　因此，功率损耗比使用单二极管的电路小约27倍。这就是为什么使用P沟道MOSFET进行防反接保护比其他方法要好得多的原因。它比二极管贵一点，但它使保护电路更安全，更高效。　　我们还在电路中使用了齐纳二极管和电阻器，以防止超过栅极到源电压。通过添加电阻和9.1V的齐纳二极管，我们可以将栅源电压箝位到最大负9.1V，因此晶体管保持安全。　　当然MOS的防反接电路也可以采用Nmos来截断电路，截断的就是负极电路，我们一般的理念还是开关正极，就像家里电灯开关一样，是装在火线上，而不是零线上。
2025-08-29 16:24 阅读量：791
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