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ST意法半導體推出集成共模濾波器和ESD抑制功能的 新汽車通信保護器件
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原標題：ST意法半導體推出集成共模濾波器和ESD抑制功能的 新汽車通信保護器件
一、器件核心功能與技術架構
ST意法半導體（STMicroelectronics）推出的新型汽車通信保護器件（如STEVAL-AECAR01V1參考設計或ESDCANx系列）將共模濾波器（CMF）與ESD（靜電放電）抑制功能高度集成，專為應對汽車電子系統中日益復雜的電磁干擾（EMI）與瞬態電壓沖擊設計。其關鍵特性如下：
| 功能模塊 | 技術實現 | 典型應用場景 |
|---|---|---|
| 共模濾波 | - 三階LC低通濾波器（截止頻率100MHz） - 差模阻抗<1Ω，共模阻抗>1kΩ（100MHz） | CAN FD、LIN、FlexRay總線 |
| ESD保護 | - 雙向二極管陣列（擊穿電壓±15kV） - 響應時間<1ns，鉗位電壓<30V（8kV接觸放電） | 車載娛樂系統、ADAS傳感器接口 |
| 集成化設計 | - 單芯片封裝（QFN 4mm×4mm） - 寄生電容<5pF（對信號完整性影響極小） | 緊湊型ECU、域控制器 |
二、關鍵技術組件與性能優勢
1. 共模濾波器設計
三階LC濾波結構：
差模噪聲（如電源波動）通過Ldm+Cdm低通路徑衰減；
共模噪聲（如電機干擾）通過Lcm+Ccm旁路至地。
采用差模電感（Ldm）與共模電感（Lcm）串聯，結合差模電容（Cdm）與共模電容（Ccm）并聯，形成對稱濾波網絡；
濾波原理：
性能參數：
差模插入損耗：>40dB@100MHz（抑制高頻開關噪聲）；
共模抑制比（CMRR）：>60dB@100MHz（隔離總線間串擾）。
案例：
在CAN FD總線（速率5Mbps）中，ST器件可將電機控制器產生的共模噪聲（幅值±2V，頻率50MHz）衰減至<50mV，確保通信誤碼率（BER）<10?12。
2. ESD保護機制
雙向二極管陣列：
采用硅控整流器（SCR）結構，擊穿電壓±15kV（符合IEC 61000-4-2標準）；
動態電阻：<1Ω（8kV接觸放電時鉗位電壓<30V），保護后端芯片免受擊穿。
快速響應：
響應時間<1ns（遠快于傳統TVS二極管的5ns），可抑制汽車點火系統產生的納秒級瞬態脈沖。
對比傳統方案：
| 特性 | ST集成器件 | 分立方案（CMF+TVS） |
|---|---|---|
| 占用面積 | 4mm×4mm（單芯片） | 需2顆器件（CMF+TVS），面積>10mm2 |
| 寄生電容 | <5pF（對高速信號影響小） | 分立方案總電容>15pF，信號衰減大 |
| 成本 | 單器件成本<$1.2（批量） | 分立方案成本>$1.8 |
三、器件封裝與電氣兼容性
1. 封裝設計
QFN 4mm×4mm：
底部焊盤直接散熱，熱阻<15℃/W；
引腳間距0.5mm，兼容汽車級回流焊工藝（最高260℃峰值溫度）。
焊盤布局：
差模信號（CAN_H/CAN_L）通過中心引腳傳輸，共模噪聲通過外圍地引腳旁路。
2. 電氣兼容性
工作電壓范圍：
支持5V至24V汽車總線（兼容12V/24V電池系統）；
最大持續工作電壓（DC）：30V（超過時自動保護）。
總線負載：
終端電阻匹配：120Ω（CAN FD標準）；
最大電容負載：<100pF（不影響信號上升沿）。
四、典型應用場景與性能驗證
1. 車載娛樂系統（Infotainment）
需求：
抑制HDMI/USB接口的ESD沖擊（8kV接觸放電）；
衰減電機驅動器產生的共模噪聲（幅值±3V，頻率10MHz）。
解決方案：
采用ST的ESDCAN02-2BWY器件，寄生電容<3pF，不影響HDMI 1.4b的3.4Gbps數據速率；
實測數據：在8kV ESD沖擊下，后端芯片電壓鉗位至<28V，無物理損壞。
2. ADAS傳感器接口
需求：
保護激光雷達（LiDAR）的LVDS接口（速率1.5Gbps）免受ESD干擾；
隔離車載攝像頭電源噪聲（共模噪聲幅值±1V，頻率50MHz）。
解決方案：
采用ST的ESDCAN06-2BWY器件，共模插入損耗>45dB@50MHz，LVDS信號眼圖張開度>80%；
耐久性測試：通過1000次8kV ESD循環測試，器件性能無衰減。
五、供應商支持與資源
1. 技術文檔
訪問ST官網下載：
《ESDCANx系列數據手冊》：詳細參數與封裝信息；
《汽車總線EMI防護設計指南》：共模濾波與ESD布局建議。
2. 樣品申請
通過Digi-Key、Mouser等分銷商申請ESDCAN02-2BWY或ESDCAN06-2BWY評估樣品；
聯系ST技術支持獲取定制化封裝建議（如需更小尺寸）。
3. 開發工具
STEVAL-AECAR01V1參考設計：
集成CAN FD/LIN總線接口、ESD保護與共模濾波，支持快速原型開發；
提供LTspice仿真模型，驗證濾波器與保護電路的協同工作。
六、競品對比與選型建議
| 供應商 | 器件型號 | 共模阻抗（100MHz） | ESD鉗位電壓（8kV） | 封裝尺寸 | 成本（美元） | 典型應用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ST | ESDCAN02-2BWY | >1kΩ | <28V | 4mm×4mm | 0.8 | 車載娛樂HDMI接口 |
| TDK | TCM1510H-200-2P | >800Ω | <35V | 5mm×5mm | 1.2 | 工業以太網接口 |
| Bourns | CDSOT23-T05CAN | >500Ω | <40V | 3mm×3mm | 0.6 | 低速CAN總線（<1Mbps） |
選型建議：
優先ST方案：若需高共模阻抗（>1kΩ）與低鉗位電壓（<28V）（如高速接口保護）；
選擇TDK：若需更大封裝尺寸（5mm×5mm）與更高ESD耐受（如工業環境）；
選擇Bourns：若需低成本（$0.6）與低速總線保護（如傳統CAN 125kbps）。
七、總結與推薦
1. 推薦場景
高速接口保護：
車載娛樂HDMI/USB 3.0（速率5Gbps）；
ADAS傳感器LVDS/GMSL接口（速率>1Gbps）。
低速總線保護：
CAN FD、LIN、FlexRay（速率<10Mbps）；
電機控制器PWM信號線。
2. 不推薦場景
超高壓應用（如>30V總線，需額外TVS保護）；
超高頻應用（如毫米波雷達，寄生電容需<2pF）。
3. 關鍵優勢
高集成度：單芯片實現共模濾波與ESD保護，PCB面積減少60%；
低信號衰減：寄生電容<5pF，兼容高速數據總線；
汽車級可靠性：通過AEC-Q100 Grade 1認證（-40℃至+125℃）。
結論：
ST意法半導體的集成共模濾波器與ESD保護器件通過三階LC濾波網絡、雙向SCR二極管陣列及QFN封裝，為汽車通信總線提供了高效、緊湊的防護方案。其共模阻抗>1kΩ、鉗位電壓<28V及4mm×4mm封裝，尤其適配對EMI敏感且空間受限的高速接口（如HDMI/LVDS），是同類器件中兼顧性能與成本的理想選擇。
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