车载摄像头抗静电器件选型仿真分析

车载摄像头一般采用同轴连接端子和主机连接。采用POC(Power Over Coxial)方式供电。即,在一条同轴线内,同时传输高频视频信号和电源。摄像头的信号框图如下图(1)。对摄像头的静电测试,包含对端子进行的接触和空气放电。

图(1)

GB_T 17626.2-2018 / IEC 61000-4-2:2008 《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度实验》的6.2 静电放电发生器的特性章节,对接触放电电流波形参数要求如下表。分为四个电压等级。

标准中提供的4kV理想的接触放电电流波形和波形方程,观察该波形及波形方程可以发现,该波形实际由两部分组成,即可通过两个曲线拟合而成。标准提供的4KV理想接触放电的电流波形如下图:

图(2)

通过采用如下的电路,实现4KV的放电波形发生器。图(3)是电路图,图(4)是负载R3的仿真电流波形。

图(3)

图(4)

同样的电路,修改参数设置,得到8KV的输出波形,如图(5)。

图(5)

可以看到,8KV的仿真波形与标准的表3的要求一致,电流脉冲的最大值是30A。

我们采用8KV的脉冲进行下一步的仿真测试。如下图(6)是ESD仿真的电路。

图(6)

1.ESD管节间电容的仿真

对于高频信号通路,一般是50欧的阻抗匹配要求。芯片的内阻也为50欧。作为ESD对策,一般会在信号电路靠近芯片端放置ESD器件。作为ESD器件的关键特性,Cj(节间电容)即图中的C5为仿真的器件。设置Cj为1p~47nf范围,检测负载R5的电流和电压。仿真结果如下图(7)。

图(7)

从图(7),我们可以得到以下信息:

1)通过负载R5的电流峰值是2.3A左右,因此,ESD器件的峰值脉冲电流Ipp≥2.3A。电流峰值随节间电容Cj的增加而减小。

2)负载R5的峰值电压为110V以上。在30ns时,达到65V左右。因此,ESD器件是必须的。电压峰值随节间电容Cj的增加而减小。

3)ESD器件的节间电容值,在1pf~32pf范围内时,对负载的电流和电压作用不大。由于是高频信号通路,随着节间电容值增加,会对高频信号(6GHz)质量产生影响。因此Cj值不能太大。目前适用于高频信号的ESD器件的节间电容Cj<1pf.

2. 电源内阻的仿真

在图(6)的电路图中,POC滤波电路后的负载电阻R7=10兆欧。这个负载电阻,在摄像头端,是电源芯片的输入电阻。在主机端,是电源芯片的输出电阻。一般的电源芯片的规格书中,找不到这个电阻值的规格。

设置R7=1兆欧,仿真测试负载R5的电流和电压波形如图(8)。

可以看到,峰值电流为12A。即ESD器件的峰值脉冲电流Ipp≥12A。

图(8)

3.波形频谱分析

为什么电源芯片的内阻会影响流过R5的电流和电压值?

POC滤波电路是一个由电感、电容和电阻构成的带阻滤波器,带阻的频率是1MHz~6GHz范围。

图(2)所示的理想波形的方程如下:

通过对图(2)的波形进行傅里叶变换,可以得到图(9)所示的频谱图。

图(9)

可以看到,ESD测试波形的频谱分布,在0~1GHz之间,在4MHz处,有最大值。即,ESD测试波形的频率范围,正好在POC滤波电路的带阻范围内。POC滤波电路不能吸收该部分能量,反而由于电感的反电动势,增强了信号的强度,通过高频信号回路释放。

4.结论分析

在考虑ESD失效的原因时,需要考虑POC电路及电源芯片的影响。电源芯片的输入内阻(在摄像头端)和输出内阻(主机端)是需要考虑的因素。

在不知道具体内阻参数的情况下,选择峰值脉冲电流Ipp尽量大的ESD器件。

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