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应用注释

车载小型贴片压敏电阻实现TVS二极管替代与高密度封装

随着汽车先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶技术的发展,摄像头、雷达、麦克风等传感设备的搭载量急剧增加。随着高性能设备的增多,一级供应商面临着“高可靠性”、为实现小型化的“电路板面积缩减”以及“降低成本”三大课题。在高性能化过程中,尤其是防护静电(ESD)成为影响车载通信稳定性的关键因素。
为满足这些需求,TDK推出了面向车载通信的ESD保护元件“贴片压敏电阻AVRH系列”,作为传统TVS二极管的全新替代方案,实现了更小型化和更高性能的ESD保护。
applicationnote_automotive-avrh06c270kt200na7_002.png
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TVS二极管与贴片压敏电阻有何不同?  

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贴片压敏电阻和TVS二极管不仅用于过电流、过电压保护,还用于ESD防护和浪涌保护等应对不同的瞬态现象。贴片压敏电阻以氧化锌为主体的陶瓷多结晶结构,具有耐高能量浪涌的特点。多数情况下采用叠层结构,并且正在推进用于小型化形状的ESD防护。另一方面,TVS二极管采用硅的PN结结构,凭借纳秒级的高速响应,非常适合用于ESD保护。

如需更详细内容,请参阅下面的以往文章。
齐纳・TVS二极管和压敏电阻的区别是什么?使用时应进行比较的4个要点
电子设备因静电而故障!不易劣化的贴片压敏电阻的选择方法

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贴片压敏电阻AVRH系列 产品特点与优势    

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AVRH系列以小型1005尺寸为主,产品阵容齐全,并符合车规AEC-Q200标准。具备与车载用1608尺寸同等的可靠性,可作为传统产品的替代品使用。此外,系列中最小的0603尺寸“AVRH06C270KT200NA7”也已开发完成。
量产前的数据手册也可在本文下方下载
 

  • 超小型0603尺寸:与传统TVS二极管相比,最大可减少约80%的安装面积
  • 高性能ESD防护:±25kV静电耐受能力,确保车载通信的可靠性
  • 低静电容量:适用于高速通信线路
  • 高耐热性:最高工作温度125℃,最适合车载环境
  • 成本优势:小型化带来元件本身及安装成本的降低


专注于车载通信ESD防护的AVRH系列于2019年开始量产,预计到2025年出货量将达到约300Mpcs/M以上。此前车载通信用ESD防护贴片压敏电阻以1608尺寸为主流,而AVRH系列在保持特性的同时,实现了向1005尺寸的小型化。
凭借安装面积缩减和小型化带来的成本降低等优势,越来越多客户正在考虑并采用该系列产品。

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AVRH系列销售增长趋势图
图1:AVRH系列销售增长趋势图

AVRH-1005 尺寸(mm)与新产品 0603 尺寸(mm)之比较 

为进一步减少安装面积而开发的0603尺寸产品,在保持与1005尺寸同等性能的同时,实现了产品的小型化。

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ESD耐受性的评估

  • IEC61000-4-2:人体模型(150pF/330欧姆)测试
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AVRH-1005_mm_型与新产品_0603_mm_型的比较
图2: AVRH-1005 mm 型与新产品 0603 mm 型的比较
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产品技术规格的详细对比 

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压敏电阻材料主要分为Bi(铋)系和Pr(镨)系。Bi系材料于1960年代由松下开发并实现商业化。当时为应对浪涌,推出了大型盘式等产品,但为了应对静电防护,逐步实现了小型化和SMD化。另一方面,Pr系材料于1990年代开发并商业化。这种材料具有优异的可靠性,适用于对高可靠性有要求的工业设备和车载领域。

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1. 与其他厂商贴片压敏电阻的对比数据  

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1-1. Bi系材料压敏电阻与AVRH系列的比较

如下图所示,采用Bi系材料的SMD产品在ESD施加后会发生特性劣化。Bi系压敏电阻在压敏特性出现后电阻值相对较高,因ESD施加等容易发热。
因此,仅一次ESD施加就会导致特性劣化,难以保持初始特性。

另一方面,AVRH系列在ESD施加后能够保持稳定的特性。
从该图可以看出,在IEC61000-4-2/HBM条件下,最高可达30kV而不会发生特性劣化。

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ESD耐受性评估

  • ESD 条件:150 pF / 330 Ω
  • 印加电压:±2 kV ~ ±30 kV
  • 印加次数:每一电压值各施加 10 次(接触放电)
  • 判定基準:ΔV1mA / V1mA ≦ 10%
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说明:ΔV1mA / V1mA = (V1mA_after − V1mA_before) / V1mA_before ≤ 10%
备注:在施加 ESD 前后测量压敏电阻在 1 mA 时的电压(V1mA),以判定是否发生劣化

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  • <A厂商产品>
A厂商产品
  • 在施加电压超过 2 kV 时出现特性劣化
  • <AVRH10C220YT201MA8>
AVRH10C220YT201MA8
  • 在施加电压达 30 kV 时未观察到特性劣化
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压敏电阻厂商车规用途型号压敏电阻电压 V1mA静电容量@C1kHz额定电压
A厂商LIN-6.8 - 10.2V175 pFDC 5.6V max.
TDKLINAVRH10C220YT201MA8  19 - 26V160 - 240 pFDC 16V
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结果
关于ESD耐量

  • A厂商的压敏电阻在2kV时确认出现压敏特性劣化,压敏电压变化率在施加30kV前后最大约有50%的劣化。
  • TDK的压敏电阻在施加到30kV时未确认有特性劣化。
  • 关于ESD耐量,TDK的压敏电阻更强,可以说具有承受更高电压和电气负荷的能力。
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1-2. 与使用Pr系材料的其他厂商制造的压敏电阻与AVRH系列的比较

以下评价是与使用Pr系材料的B厂商制造的压敏电阻进行的比较。Pr系材料对ESD施加具有稳定性,比Bi系材料具有更稳定的特性。然而,B厂商制造的压敏电阻在30kV时出现了短路破坏的情况。
另一方面,AVRH系列虽然有一些特性波动,但在30kV时仍能保持其特性。

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ESD耐受性评估

  • ESD 条件:150 pF / 330 ΩF / 330Ω
  • 施加电压:±2 kV ~ ±30 kV
  • 施加次数:每一电压值各施加 10 次(接触放电)
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备注:在施加 ESD 前后测量压敏电阻电压,以判定是否发生劣化。

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  • <B厂商产品>
B厂商产品

3在施加电压达30 kV 时,发生短路破坏的个体

  • <AVRH10C270KT150NA8>
AVRH10C270KT150NA8

在施加电压达 30 kV 时未观察到特性劣化

  • <AVRH10C270KT350NA8>
AVRH10C270KT350NA8

在施加电压达 30 kV 时未观察到特性劣化

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压敏电阻厂商型号压敏电阻电压 V1mA静电容量@C1kHz额定电压 (DC max.)
B厂商-21.6 - 32.4V16.5 typ.18V
TDKAVRH10C270KT150NA824 - 30V10.5~19.519V
TDKAVRH10C270KT350NA824 - 30V24.5~45.519V
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结果:

  • B厂商的15pF产品在施加±30kV电压时有个别出现短路损坏。
  • TDK的15pF产品(AVRH10C270KT150N)以及35pF产品(AVRH10C270KT350N)在施加±30kV电压时没有出现劣化,表现出稳定的耐久性。

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2. 其他厂商的TVS二极管和AVRH系列的比较

用于车载通信的TVS二极管在施加ESD后有些可承受30kV,但也有在达到30kV之前就发生短路的情况。对于TVS二极管来说,器件的电气特性通常不会逐渐变化,而是在某个电压下突然发生短路损坏的情况较多。 
如下图ESD耐量测试结果可见,AVRH系列与TVS二极管(C品牌)相比,虽然特性有些许变化,但可以看出其具有同等程度的ESD耐久性。

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ESD耐受性评估

  • ESD 条件:150 pF / 330 Ω
  • 施加电压:±2 kV ~ ±30 kV
  • 施加次数:每一电压值各施加 10 次(接触放电)
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备注:在施加 ESD 前后测量压敏电阻电压与齐纳电压,以判定是否发生劣化。
合否判定基准:ΔV1mA / V1mA 在 ±10% 以内(即变化率<=±10%)

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  • <C厂商产品>
C厂商产品

在升压至 28 kV 时确认到二极管发生短路

  • <AVRH10C270KT350NA8>
AVRH10C270KT350NA8

在施加电压达 30 kV 时未观察到特性劣化

  • <AVRH10C270KT150NA8>
AVRH10C270KT150NA8

在施加电压达 30 kV 时未观察到特性劣化

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厂商 / 产品型号Varistor Voltage / Zener Voltage静电容量@C1kHz额定电压 (DC max.)
C厂商-26.2~32.0 V30 pF typ.24 V
TDK / VaristorAVRH10C270KT350NA824~30 V24.5~45.5 pF19 V
TDK / VaristorAVRH10C270KT150NA824~30 V10.5~19.5 pF19 V
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结果:

  • 由于AEC-Q200将25kV定位为最大等级,可以认定上述器件具有最大等级的ESD耐久性。

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3. 电路板面积缩减率(0603/1005尺寸对比) 

AVRH系列为1005尺寸,与TVS二极管相比,可以大幅减少安装面积。大约可以削减70~80%左右。

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与_TVS_二极管的占板面积比较
图3:与 TVS 二极管的占板面积比较
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另外,0603尺寸和普通的1005尺寸相比可以削减约15%的安装面积。和TVS二极管相比,则安装面积最大可以削减85%。

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与_TVS_二极管的占板面积比较
图4:与 TVS 二极管的占板面积比较
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应用领域  

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“AVRH06C270KT200NA7”已经在以下用途中被采用:
🚗  车载麦克风:用于语音识别和通话功能的噪声抑制
📡  Telematics ECU:通过对通信模块的ESD保护,实现稳定的数据收发

除了上述用途外,在安装空间有限的设备中,噪声对策和ESD保护的应用也在增加。由于采用0603尺寸的小型封装,可以减少安装面积,从而提高电路板设计的自由度,有助于实现多功能化和小型化。未来的实际应用还有望扩展至ADAS周边模块、信息娱乐系统、车内传感器网络、电动车的高密度控制电路板等领域。

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首次公开:0603mm尺寸车规级贴片压敏电阻数据手册(量产前版本)及通信线路设计指南

请填写右侧表单并点击“下载”按钮即可获取以下资料:
(1)0603mm尺寸车规级贴片压敏电阻数据手册
(2)针对通信线路的EMI滤波器与ESD防护产品组合设计指南
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