MIPIA-PHY及其静电放电（ESD）保护

作者 | 直观解

出品 | 汽车电子与软件

作为一种新兴的超高速车内数据有线传输方法，MIPI A-PHY是一种专为汽车应用设计的高速串行器-解串器（SerDes，序列化与反序列化）物理层接口规范，旨在满足汽车行业对高性能、长距离通信的需求。这项技术的首要特点是高速，其次是可靠，目的就是为了车内越来越大的数据流量，特别是自动驾驶传感器的巨大视频流和点云流。

它是 MIPI 联盟（ Mobile Industry Processor Interface Alliance，移动产业处理器接口联盟）开发的第一个标准化、非对称、长距离规范，适用于高级驾驶辅助系统（ADAS）、自动驾驶系统（ADS）、信息娱乐显示以及其他环绕传感器应用。

所谓SerDes是将信号源划分为较小的数据块，通过串行方式进行传输，再在接收端将其重新组合为完整的并行数据。这个方式和TCP/IP协议在原理上基本是一样的。

串行传输在某些场景优于并行传输，因为并行需要考虑复杂同步问题和时序问题，并行路数越多这个复杂性越高。再就是从电气角度，多根信号线容易串扰，布线布局需要很高技巧来避免串扰。而且最朴素的，信号线越多，某一根故障或者断掉的几率就更大，而且在多根线中很难排查。

凡是满足MIPI A-PHY硬件规范的电缆通信系统都可以称为MIPI A-PHY产品，特别是编解码芯片组，目前主要供应商列表如下

表 1 MIPI A-PHY主要供货商

毫不奇怪的，MIPI A-PHY中最重要的是编解码芯片组，这是数据传输速率和纠错的主要器件。另外，除了专门做线束电缆芯片组的厂商，做自动驾驶的黑芝麻也参与进来，因为MIPI A-PHY最大的用途就是自动驾驶和智能座舱。

MIPI A-PHY是线束通信方式，不是无线通信，原因是有线通信的可靠性、抗干扰能力都优于无线。所谓长距离是指车内线束长度，最长可达15米，对一般车辆足以够用。

其主要特点如下：

MIPI A-PHY 提供了极低的数据包误差率（10^-19），这意味着在整个汽车使用寿命期间几乎不会出现数据传输错误。数据速率支持高达每秒数十Gbps，能够满足现代汽车中高带宽需求的应用场景，如高清摄像头和显示器的连接。MIPI A-PHY 提供点对点或菊花链拓扑结构，支持高速单向数据传输和嵌入式双向控制数据传输，优化了车内复杂网络的设计。

最后，相较于传统的短距离接口（如 D-PHY 和 C-PHY，是用于手机平板等移动设备的），A-PHY 支持长达15米的电缆传输，非常适合汽车内部的远距离通信需求。信号在传输过程中会受到电阻、电容和电感的影响，导致信号强度逐渐减弱，所以信号强度和质量会随着线束长度而衰减，这种现象被称为信号衰减，其程度通常用“dB”来表示。因此15米已经是可观的距离。

读者从日常生活会发现，比如手机，过长的数据线（充电线）反而效果不好，2米线虽然方便手机活动范围大，但数据传输效率不如一米线或者半米线。根据实验数据，1米线的数据传输效率明显优于2米线，而0.5米线的表现又优于1米线。

图 1 菊花链拓扑示意图，来自百度百科，闭合就是环形拓扑，不闭合就是链状拓扑 

应用领域主要是大数据流量的场景

a、自动驾驶与高级驾驶辅助系统（ADAS/ADS）：

MIPI A-PHY 在 ADAS/ADS 系统中扮演关键角色，用于连接图像传感器、雷达和其他感知设备到中央处理单元（ECU），确保实时、可靠的数据传输。

b、智能座舱，HMI，信息娱乐系统：

它可以高效地将视频流从主机传输到多个显示屏，支持高质量的车内娱乐体验 。

c、车内监控系统：

MIPI A-PHY 的高可靠性和长距离特性能连接全车各个角落，使其成为车内监控系统的理想选择，例如驾驶员状态监测和乘客安全监控，以及货物安全。

下面，介绍MIPI A-PHY的工作架构如下：

图 2 MIPI A-PHY的工作架构图，包括传输数据数据和电力，图片来自意法半导体

MIPI A-PHY使用同轴线或差分对来传输信号。

它是双向的，不仅用于数据传输，还可以通过数据线为外部设备供电，这个技术在硬盘和移动设备中中很常见。

下行链路（High-Speed Downlink）主要负责传输高速数据流。支持高分辨率摄像头、图像传感器和显示设备的数据传输需求，例如支持多个 4K 分辨率的设备。

上行链路（Uplink）用于传输命令和控制数据。所以上行链路的带宽较低，最大支持 200 Mbps，但也是高速CAN的速率两倍以上。

A-PHY 的两种配置文件：

Profile 1：

• 目标：适用于需要较低下行链路速度和较低硬件复杂度的应用场景。

• 技术基础：基于 NRZ（非归零编码）和 8B/10B 编码技术。

• 特点：成本较低，适合对性能要求不高的场景。

Profile 2：

• 目标：适用于需要更高下行链路速度和更强抗噪能力的应用场景。

• 技术基础：基于 PAM（脉冲幅度调制）技术。

• 特点：具有更高的带宽利用率，更适合对性能要求较高的场景，例如车载摄像头或高端显示设备。

#02

MIPI A-PHY的EOS（Electrical Overstress，电气过应力）测试是为了确保汽车应用中的电子模块在面对超出其设计规格的电压或电流时的鲁棒性和可靠性。这种测试模拟了车辆环境中可能出现的各种电气异常情况，例如由于人体接触或系统内部故障引起的静电放电（ESD）事件。

图 3 EOS测试场景，人为模拟电涌、过压过流等场景，图片来自CSDN

在汽车应用中，尤其是涉及高带宽数据传输的应用（如ADAS、ADS和环绕传感器等），EOS保护涉及到自动驾驶安全性，所以很重要。这是因为汽车环境通常比消费电子产品更为复杂和苛刻，可能面临更广泛的温度范围、振动和其他电气干扰。因此，对MIPI A-PHY接口进行EOS测试有助于验证其在实际使用条件下的耐用性。

EOS测试通常包括以下几种类型：

• 浪涌测试：模拟由雷击或其他电源瞬变引起的高压脉冲。

• 短路测试：评估设备在极端条件下（如意外短路）的表现。

• 过压/过流测试：检查设备能否在高于正常操作范围的电压或电流下工作而不受损。

这些测试通常按照国际标准（如IEC 61000-4系列）来进行，以确保结果的一致性和可重复性。

对符合MIPI A-PHY硬件接口规范而实现的车内电缆数据传输系统，EOS测试就是为了模拟电气风险来测试对此类系统的各类影响，主要是速率下降，数据丢失或错误等等。

#03

汽车环境存在诸多电气风险源，包括但不限于电磁干扰与静电放电。点火系统、继电器触点、交流发电机、喷油器及其他附件，还包括人体积累静电的放电，不仅会产生此类危害，还会引发其它电气扰动。这些危害既可以作用于数据线，又可以作用于电源线。后续内容主要针对数据线路所受到的电气风险进行探讨，因为MIPI A-PHY是用于传输数据的。

数据线上产生的瞬态现象主要为ESD浪涌（Electrostatic Discharge，简称ESD）。这种浪涌其实也是人体冬天穿毛衣活动，碰到门把时被电一下的原因。其特点是能量较低但电压变化率dv/dt极高，可能产生强烈的电磁场。ISO 10605和IEC 61000-4-2标准对ESD浪涌进行了定义。涉及的数据线包括通信线路：媒体传输线、视频链路、数据总线、传感器数据线等。下图展示了数据线上可能出现的危害性浪涌波形。

图 4 数据线中的静电放电浪涌，图片来自意法半导体公开资料

首先放电电压极高，以千伏为单位；其次击穿空气的隔空放电瞬时电压比接触式放电的瞬时电压低多了，不到三分之一，但也高达正负8kv。

静电放电（ESD）电涌对MIPI A-PHY电缆的影响有多方面的严重影响。

1. 数据丢失或损坏：即使低频ESD也可以通过紧密缠绕的电缆传播，通过以太网端口导致数据丢失或物理损坏。对于MIPI A-PHY来说，这可能导致关键的汽车数据传输错误或中断。

2. 系统性能下降：ESD事件可能会导致MIPI A-PHY系统的性能下降，表现为延迟增加、吞吐量减少和整体通信效率降低。这种影响可能源于ESD对电缆和接口组件的轻微损害。

3. 硬件损坏：严重的ESD电涌可以造成MIPI A-PHY电缆及其连接设备的永久性硬件损坏。ESD可能导致峰值电压高达25 kV，总脉冲宽度约为100 ns的高压事件，这对嵌入式FET栅极尤其危险。

4. 电磁干扰（EMI）增强：ESD事件可能会加剧电磁干扰，从而影响MIPI A-PHY电缆周围的其他电子设备的正常运行。这不仅限于直接连接的设备，还可能影响到邻近的系统。

5. 长期可靠性问题：虽然一次性的ESD事件可能不会立即导致故障，但它可能会削弱MIPI A-PHY电缆及相关组件的长期可靠性，特别是在汽车应用中，这些系统需要在整个车辆寿命期间保持稳定性能。

为了减轻这些影响，设计者通常会采用专门的ESD保护措施。因此我们需要用第二节的EOS测试来对比有无保护两种情况的效果。

#04

首先介绍A-PHY 电缆拓扑结构，因为ESD保护手段和电缆结构息息相关：

A-PHY 主要支持三种电缆类型，以适应不同的应用场景和需求。

a、不平衡同轴电缆：传统的同轴电缆，广泛应用于各种场景。

图 6 不平衡同轴电缆，图片来自网络

不平衡同轴电缆（Unbalanced Coaxial Cable）的不平衡是指其信号传输特性中，信号导体与地之间的阻抗不对称的电缆类型。同轴电缆由一个中心导体和一个包围它的外层屏蔽构成，这两者之间通过绝缘材料分隔开。这种结构导致了同轴电缆被定义为非平衡线路，因为信号导体是一个小的实心线，而地线则是环绕内部信号线和绝缘层的编织金属层。中心导体负责几乎所有的电流和信号电压传递，而屏蔽层主要起到防止外部电磁干扰的作用，并通常连接到电气地

不平衡同轴电缆应用于需要良好屏蔽效果的场合，比如广播、电视以及射频信号传输和车内高流量数据等。

b、屏蔽差分对（SDP）：平衡电缆的一种，具有较好的抗干扰能力。

图 7 SDP电缆

差分信号是指在两条导线上发送两个等幅但相位相反的信号。接收端通过比较这两个信号的电压差来判断逻辑状态“0”或“1”。这种方式能够显著提高抗干扰能力，因为共模干扰会在两条导线上产生相同的电压变化，而差分接收器会忽略这些共模信号。SDP的核心就是是使用金属屏蔽层包裹一对差分信号线来发送信号。这种屏蔽层可以由铝箔、铜箔或其他导电材料制成，目的是将外部电磁场与内部信号线隔离开来。

c、星型四线缆（STQ）：由四根导体组成，分为两对差分对，适合高性能应用。

图 8 星型四线缆

星型四芯电缆的内部四根导线均匀分布，形成一个中心对称的星形结构。这样的布局有助于减少电磁干扰，并且能够有效地降低线间串扰 。

之所以说明这些电缆和接口类型，是因为它们和ESD保护手段是相关的。

图 9 A-PHY系统从source到sink的连接方式，来自意法半导体文档

图中同时承载上下行流和电力的电缆就是上述三种电缆之一。从source到sink之间经过的所有电子器件总和被称为一个完整的TLIS，包括PCB板，包括电缆，包括 A-PHY处理芯片。

TLIS是指传输线互连结构（Transmission-Line-Interconnect-Structure），它是用于描述信号在发射器和接收器之间传输时所经过的物理路径或介质。这种结构可能包括多个级联的传输线段，例如印刷电路板、柔性电路板、互连连接器以及电缆等组件。在MIPI A-PHY标准中，TLIS特性针对特定拓扑定义，如同轴拓扑，其中同轴电缆总长可达15米，并包含多达4个内联连接器，最小电缆段长度为30厘米。

图 10 增加了ESD保护设备的A-PHY系统

意法半导体介绍的具体ESD保护设备是一个体积很小的设备，称为ESDAXLC6-1BT2Y ，就是一个二极管。

图 11 ESD保护设备：ESDAXLC6-1BT2Y，来自意法半导体

这本质是一个双向 TVS （（瞬态电压抑制））二极管，可以对正向和负向的过压事件提供保护。它在正常工作条件下表现为高阻抗状态，几乎不会影响电路的正常运行。然而，当电路受到 ESD 瞬态电压冲击时，TVS 二极管会迅速导通并降低阻抗，将多余的电流引导到地，从而限制电压升高，保护后续电路中的敏感元件不受损害 。对于正极性或负极性的 ESD 脉冲，能有效地将其降低到安全电压范围内，确保被保护的电路不会因过高或过低的电压受损。

如果换用我们熟悉的概念来理解，这是个滤波器，滤掉瞬间高电压电涌，方法是把允许电涌击穿二极管，导通后导入地线。

那么这个器件的使用效果如何？有如下信号眼图对比：

图 12 不使用和使用ESDAXLC6-1BT2Y的信号眼图（eye diagram），左边是through（thru）穿通，也就是不使用，右边是使用，来自意法半导体文档

看眼图好坏的直观规律，就是看eye“睁得大不大，睁得圆不圆”，“越大越圆越好”，眼图张开越大，表明对噪声和抖动的容许误差越大，系统性能越好。

如果说“睁得大不大，睁得圆不圆”还不够直观，那么更具体的等价说法是，看上眼线和下眼线之间的距离，越远越好。

图12中左侧thru子图，请注意眼睛的左侧，明显存在被捏瘪的凹坑，说明数据传输质量下降，进而说明ESD保护是有效的，因为右侧眼图带保护，就没有这种捏瘪现象。

#05

本文主要信息来自意法半导体文档《MIPI A-PHY EOS protection in automotive application》，除此之外，本文详细介绍了MIPI A-PHY出现背景和用途，并增补一些评价手段和评价指标，便于读者理解。

MIPI A-PHY最近被视为最有希望的解决手段，来解决自动驾驶和智能座舱各自的巨量和不断增长的数据传输问题，因此备受关注，国内外都有大量厂商跟进。以下是它与车载以太网和can总线的对比。

至少从速率上，MIPI A-PHY是车载以太网的有力竞争对手，如果能从抗干扰和性价比再进一步证明自己，也许会成为ADS/ADAS自动驾驶领域和智能座舱HMI领域的下一代主流车内数据传输方案之一。