淺談靜電放電VCP測試對汽車電子模塊的影響

作者 鄒愛華 張萍 熊雪峰 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司(上海 201201)

　　鄒愛華(1978-)，女，中級工程師，研究方向: 汽車電子電磁兼容。

摘要：文章介紹了X車型娛樂子系統(tǒng)顯示屏靜電閃屏問題分析及解決措施。同時引發(fā)靜電放電垂直耦合板VCP(Vertical Coupling Plane)方法的討論，探討靜電放電VCP測試方法對汽車電子模塊的影響。這些結(jié)果為汽車電子模塊靜電放電抗擾度測試方法提供參考依據(jù)。

引言

　　隨著智能化汽車的高度普及，電子控制模塊在汽車上廣泛運用，電子模塊間的相互串?dāng)_概率大大提高，使得有限的車內(nèi)空間里電磁環(huán)境變得更加惡劣。電磁兼容性的好壞影響到車輛功能安全性及用戶使用感受度，因此，電磁兼容設(shè)計越來越引起人們的重視。雖然各種電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)在各大整車廠商嚴(yán)格執(zhí)行，但經(jīng)過測試的整車可能因為測試條件或者測試方法等差異，仍舊有可能出現(xiàn)電磁兼容性問題。在眾多電磁干擾及抗擾現(xiàn)象中，不受控制的靜電放電(ESD)干擾會造成整車某部分電子功能暫時性失效或者性能變差，對產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，甚至?xí)鸨容^嚴(yán)重的售后抱怨，因此，靜電放電在整車電磁兼容性中是必須考慮和預(yù)防的。

　　ESD現(xiàn)象通常發(fā)生在電子模塊自身暴露在外且易被觸碰的表面，或者發(fā)生在附近的導(dǎo)電物體上，通過空間耦合到電子模塊。測試發(fā)現(xiàn)，ESD產(chǎn)生的電磁干擾可以引起距離放電處1m外或者更遠(yuǎn)處的電子模塊運行紊亂^[1]。

　　本文通過X車型整車ESD測試現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出汽車電子控制模塊的ESD測試方法建議，使產(chǎn)品抗ESD性能更為可靠。

1 X車型整車靜電測試失效情況

　　X車型在整車通電模式進(jìn)行ESD測試時，當(dāng)靜電釋放點在娛樂子系統(tǒng)顯示屏上時，顯示屏功能完全正常;當(dāng)空氣靜電釋放點在排擋鍍鉻球頭上時，靜電水平±6kV的情況下顯示屏上會出現(xiàn)瞬間閃屏或者黑線現(xiàn)象，出現(xiàn)頻次較高，測試結(jié)果判定失效。經(jīng)過多輛整車驗證，失效情況一致，排除車輛個例問題。該車型模塊布置如圖1所示，排擋總成右側(cè)上下方正好布置了娛樂子系統(tǒng)控制模塊和顯示屏模塊，控制模塊和顯示屏之間通過低電壓差分信號LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口進(jìn)行視頻信號傳送。

2 原因分析

　　針對顯示屏靜電失效問題可以分兩步分析，一是娛樂子系統(tǒng)自身抗靜電干擾能力;二是排擋總成間接放電對娛樂子系統(tǒng)顯示屏的影響。

　　首先，采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO10605 2008^[2]方法對娛樂子系統(tǒng)進(jìn)行直接放電測試，測試結(jié)果正常，表1給出了娛樂子系統(tǒng)受到靜電干擾時的測試結(jié)果。對娛樂子系統(tǒng)控制模塊和顯示屏模塊分析，發(fā)現(xiàn)兩個模塊在設(shè)計時都有考慮靜電防護(hù)，采用不敏感器件，同時在PCB板上加濾波器以減小瞬態(tài)能量的耦合，比如增加電容、磁珠、TVS^[3]。

　　其次，把排擋總成放在娛樂子系統(tǒng)附近約10cm處(模擬VCP放電)，對著鍍鉻球頭空氣放電±6kV，如圖2所示，可以明顯看見排擋間隙處產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花，顯示屏?xí)霈F(xiàn)瞬間閃屏或者黑線異常，隨著空氣放電等級加大，火花更明顯，顯示屏異常現(xiàn)象也愈加明顯;把排擋總成鍍鉻部分接地，對著球頭空氣放電，測試結(jié)果正常;采用IEC61000-4-2^[4]標(biāo)準(zhǔn)中的ESD抗擾度測試試驗平臺，用垂直耦合板VCP模擬受試設(shè)備娛樂子系統(tǒng)附近的金屬物品，可以再現(xiàn)失效。

　　由此初步判定，X車型整車ESD測試失效的根本原因是排擋總成的孤立設(shè)計，當(dāng)靜電間接放電在排擋總成上時，由于沒有泄放路徑把電荷積累快速釋放到大地，高積累電荷產(chǎn)生快速瞬態(tài)脈沖能量，從而影響附近敏感電子系統(tǒng)。

　　通過分析X車型排擋總成發(fā)現(xiàn)，換擋操縱機(jī)構(gòu)總成由手柄操作系統(tǒng)(knob system)、排擋桿和擋位限位組成，手柄操作系統(tǒng)為操作者提供操作的介質(zhì)，手柄機(jī)構(gòu)小巧、裝配零件多，主要由球頭(knob cap)和環(huán)套(ring)及按鈕開關(guān)組成。球頭飾板和環(huán)套(如圖3)，采用金屬鍍鉻工藝，飾板與環(huán)套最小間隙應(yīng)大于等于10mm，若飾板與環(huán)套間隙不足，則不易裝配^[5]。排擋總成孤立不與車身進(jìn)行接地連接。球頭飾板和環(huán)套都是金屬鍍鉻表面，中間插入部分比較尖，且有小間隙;環(huán)套中間有一金屬桿，鉻環(huán)與桿之間形成間隙。在球頭上釋放靜電，球頭飾板尖銳部分和環(huán)套產(chǎn)生二次電弧，環(huán)套與排擋桿再次產(chǎn)生尖銳間隙放電，經(jīng)過尖端、間隙放電導(dǎo)致產(chǎn)生寬帶電磁場且頻率高達(dá)數(shù)個GHz，近區(qū)磁場強(qiáng)度可達(dá)幾十安培每米，電場可達(dá)數(shù)千伏每米^[7-9]，可以從縫隙進(jìn)入模塊內(nèi)部，導(dǎo)致模塊失效。

3 解決對策

　　靜電的防護(hù)措施主要有：

　　1)接地，就是直接將靜電通過一條線的連接泄放到大地，這是防靜電措施中最直接最有效的方法;

　　2)提高設(shè)備自身抗靜電能力。

　　根據(jù)上面分析，提出3個解決方案：

　　1)把排擋球頭及環(huán)套接地，使得靜電能量能夠快速釋放到車身底盤(地)，但是由于排擋總成是個活動零件，接地線方法不牢靠;

　　2)更改PCB，進(jìn)一步提高娛樂子系統(tǒng)的抗靜電干擾能力，更改周期長，可控性不高，風(fēng)險高;

　　3)改球頭金屬鍍鉻工藝為非金屬工藝，從源頭上切斷高能量的產(chǎn)生，實現(xiàn)較易。

　　綜合考慮，采用方案3。

4 ESD測試方法現(xiàn)狀

　　目前多數(shù)整車廠商對汽車零部件和子系統(tǒng)ESD驗證方法參照ISO10605-2008要求，主要分為上電模式和非上電模式測試，其中上電模式又分為直接ESD放電抗擾測試和間接ESD放電抗擾測試，即水平耦合板板測試(HCP),但沒有VCP測試要求。

　　IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中有專門的VCP測試要求，VCP是考核垂直耦合方式間接放電產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場對產(chǎn)品本身的影響。IEC61000-4-2規(guī)定靜電發(fā)生器輸出電流的典型波形(圖4)，規(guī)定垂直耦合板應(yīng)與被測設(shè)備保持0.1m的距離，對垂直耦合板的一個豎直邊緣的中心實施靜電放電，每個測試點測量10次，記錄電場的峰值，然后取平均值。測量磁場時，示波器存儲的是磁場探頭的感應(yīng)電壓 (Uind)波形，經(jīng)過計算得到相應(yīng)的磁場強(qiáng)度(H)波形^[6]。

　　感應(yīng)電壓的表達(dá)式為：

(1)

　　有學(xué)者對靜電放電磁場研究，其空間分布和圖像結(jié)果表明^[7]：靜電放電是一個上升時間約1ns，持續(xù)時間僅幾十個ns，放電電流可達(dá)近百安培的瞬態(tài)過程。電磁場峰值均出現(xiàn)在了最初的10ns內(nèi);隨著離放電點距離的增加，輻射電磁場逐漸減弱;同一場點處隨著放電電壓的升高，電磁場最大峰值也上升。VCP產(chǎn)生的寬帶電磁場頻率高達(dá)數(shù)個GHz，容易影響附近的敏感電子設(shè)備。

5 結(jié)論

　　隨著人們視覺美觀追求的提高，在汽車控制面板上鍍鉻工藝的應(yīng)用越來越多(鍍鉻排擋球頭、控制面板鍍鉻金屬裝飾條等)，這些鍍鉻表面處理在靜電釋放時容易間接放電產(chǎn)生瞬態(tài)輻射電磁場，從而對安裝在周邊的子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。從測試經(jīng)驗上發(fā)現(xiàn)，在未來的汽車電子模塊ESD測試不能忽略VCP這個方法，特別是布置在汽車控制面板附近的娛樂子系統(tǒng)控制模塊、導(dǎo)航模塊及Telematics模塊等，在ESD測試方法選擇時要加以考慮。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]Henry W.Ott.電磁兼容工程[M].鄒澎等譯,北京:清華大學(xué)出版社,2013.

　　[2]ISO10605 2008 Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge [S]

　　[3]ICECS_2006_CCYen_Ker_PCShih

　　[4]IEC61000-4-2 2008 Electromagnetic compatibility (EMC) –Part 4-2: Testing and measurement techniques-Electrostatic dischargeimmunity test[S]

　　[5]陳子晃,任穎睦,金吉剛,等. 換擋操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計[C].杭州：吉利汽車研究所,2011.

　　[6]原青云,劉尚合,吳勇等.靜電放電抗擾度試驗中輻射場若干特性的試驗研究[J]機(jī)械工程學(xué)院學(xué)報2009,21(1):34-37.

　　[7]李慶容. 靜電放電抗度測試平臺輻射場研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

　　[8]P F Wilson, M T Ma.Fields radiated bY electrostatic discharges[J].IEEE Transaction

　　Electromagnetic Compatibility,1991,33(1):10-18

　　[9] J Bendjamin, R Thottappillil,V Scuka.Time Varying Magnetic Fields Generated by Human

　　Metal(ESD)Electrostatic Discharges[J].Jounal of Electrostatics,1999(46):259-269

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第37頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。