ESD en Automotive High-Speed Video

Snelle Video Links zonder storing

Autonome voertuigen vormen één van de grote trends die de toekomst van de automobielindustrie zullen veranderen. Daarbij is er behoefte aan meer veiligheid en informatie voor de bestuurder en de passagiers. Dit leidt tot de ontwikkeling van Advanced Driver Assist Systems (ADAS) en veiligheidsgerelateerde infotainment-toepassingen voor gebruik in toekomstige autonome voertuigen.

Het aantal camera’s en displays in de auto neemt snel toe en dus ook de vraag naar video-verbindingen (tot wel 16 Gbit/s). Daarbij mag u het voertuig zien als een ruwe omgeving. De video-verbindingen vragen dan ook om ESD-bescherming die compatibel is met de EMC-eisen van de automotive-sector. In dit artikel wordt de invloed van de ESD-bescherming vergeleken met andere onderdelen, zoals kabels, connectoren en printen in een Video Link interface.

Video Links
Bij Video Links gaat het om point-to-point interfaces met een grote bandbreedte. De fysische verbinding kan gebalanceerd zijn of ongebalanceerd via een coaxkabel. Verder worden ze soms ook gebruikt om voedingsspanning te leveren aan de videobron. Bij coax noemen we dit Power-over-Coax (PoC) in analogie met Power-over-Ethernet (PoE).
Video Link-interfaces worden voornamelijk gebruikt voor het overbrengen van videosignalen van bijvoorbeeld parkeercamera’s waarbij PoC erg aantrekkelijk is.

Zoals u ziet in afbeelding 1, zijn er twee mogelijke posities voor een ESD-bescherming: ESD1 en ESD2. Voor optimale ESD-bescherming is ESD1 de optimale plaats. De ESD-puls kan daarmee meteen bij de connector worden weggeleid. Bij automotive wordt ook ‘short to battery’ gebruikt. In dat geval kan de ESD1-positie worden gebruikt, mits de doorslagspanning (Reverse Standoff Voltage VRWM) van de ESD-bescherming groter is dan 13,5 V. Als er geen short to battery wordt uitgevoerd, kan een VRWM van 5 V of minder worden gekozen. Positie ESD2 wordt niet geraakt door de short to battery, omdat de condensatoren de gelijkstroom blokkeren. Hier is een doorslagspanning van 5V of minder toelaatbaar. Soms is een capacitieve koppeling van de afscherming van de kabel vereist. De afscherming kan dan worden gebruikt als massareferentie voor de ESD-bescherming.

Bij de keuze van een ESD-bescherming zijn er meerdere parameters die het signaal beïnvloeden. Tijdens normaal gebruik is de spanning over de ESD-bescherming zeer klein, meestal minder dan 1 V. In dit geval gedraagt de ESD-bescherming zich als een capaciteit parallel met de signaalweg. Deze capaciteit, Cd, is een van de belangrijkste parameters voor de signaalkwaliteit. Vanwege de grote datasnelheid tot 16 Gbit/s zijn zeer lage waarden van Cd < 1 pF essentieel. Het effect van zo’n capaciteit op de S-parameter is in afbeelding 2 weergegeven voor frequenties tot 6 GHz.

Condensatorwaarden onder 1 pF blijven duidelijk boven de 3 dB-limiet – 0,5 pF zelfs boven 1 dB. In het algemeen laten dus waarden onder 1 pF of zelfs onder 0,5 pF een zeer goede signaaloverdracht toe tot 6 GHz.

Afbeelding 3 toont een vergelijking van de capaciteit in een gesimuleerd apparaat met een meting aan een echte ESD-diode van het type PESD30VF1BL. Bij deze simulatie is de typische waarde van Cd van 0,27 pF uit de datasheet gebruikt. Zowel de Insertion Loss (IL) als de Return Loss (RL) komen goed overeen tot 6 GHz, wat aantoont dat de capaciteit een heel goede indicator is voor de signaalintegriteit.

Om de invloed op de signaalintegriteit van de hele keten, inclusief de serializer (Tx) en deserializer (Rx), te onderzoeken, is de gehele print- en kabeloverdracht gesimuleerd (zie afbeelding 4). Als

substraat is een FR4-printplaat met εr = 4,6, tanδ = 0,02 gebruikt. Als gelijkspanningsblokkade zijn ideale condensatoren van 100 nF gekozen. De kabel wordt vertegenwoordigd door de gemeten S-parameter van een SPP-kabel (Shielded Parallel Pair) met een lengte van 10 m. De connector werd gesimuleerd door een niet-aangepaste microstrip-lijn van 120 Ω. In werkelijkheid is de impedantie van de connector zeer sterk afhankelijk van de printplaat en kan die variëren van 60…150 Ω of meer, wat een grote invloed op de hele signaaloverdracht kan hebben.

Om de impact van de ESD-bescherming te onderzoeken, is de gemeten S-parameter van de Nexperia PESD30VF1BL gebruikt. Deze heeft een typische capaciteit van 0,27 pF en een zeer compacte SMD-behuizing (SOD882BD). We moeten wel vermelden dat de routing van print niet is meegenomen vanwege de zeer compacte behuizing en de kleine invloed op de signaalintegriteit.

Resultaat
In afbeelding 4 ziet u de vergelijking van de S-parameters (IL en RL) van de hele link van Tx naar Rx met en zonder de ESD-bescherming. Het blijkt dat de kabel, de connector en de print de meest dominante componenten zijn. De bijdrage van de ESD-bescherming is dus van minder belang.

Auteur: Dr.-Ing. Andreas Hardock en Lukas Droemer, Nexperia