淺談靜電放電VCP測試對汽車(chē)電子模塊的影響

作者 鄒愛(ài)華 張萍 熊雪峰 泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司(上海 201201)

　　鄒愛(ài)華(1978-)，女，中級工程師，研究方向: 汽車(chē)電子電磁兼容。

摘要：文章介紹了X車(chē)型娛樂(lè )子系統顯示屏靜電閃屏問(wèn)題分析及解決措施。同時(shí)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(chē)電子模塊的影響。這些結果為汽車(chē)電子模塊靜電放電抗擾度測試方法提供參考依據。

引言

　　隨著(zhù)智能化汽車(chē)的高度普及，電子控制模塊在汽車(chē)上廣泛運用，電子模塊間的相互串擾概率大大提高，使得有限的車(chē)內空間里電磁環(huán)境變得更加惡劣。電磁兼容性的好壞影響到車(chē)輛功能安全性及用戶(hù)使用感受度，因此，電磁兼容設計越來(lái)越引起人們的重視。雖然各種電磁兼容測試標準在各大整車(chē)廠(chǎng)商嚴格執行，但經(jīng)過(guò)測試的整車(chē)可能因為測試條件或者測試方法等差異，仍舊有可能出現電磁兼容性問(wèn)題。在眾多電磁干擾及抗擾現象中，不受控制的靜電放電(ESD)干擾會(huì )造成整車(chē)某部分電子功能暫時(shí)性失效或者性能變差，對產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴重影響，甚至會(huì )引起比較嚴重的售后抱怨，因此，靜電放電在整車(chē)電磁兼容性中是必須考慮和預防的。

　　ESD現象通常發(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)生在附近的導電物體上，通過(guò)空間耦合到電子模塊。測試發(fā)現，ESD產(chǎn)生的電磁干擾可以引起距離放電處1m外或者更遠處的電子模塊運行紊亂^[1]。

　　本文通過(guò)X車(chē)型整車(chē)ESD測試現象進(jìn)行分析，提出汽車(chē)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(chē)型整車(chē)靜電測試失效情況

　　X車(chē)型在整車(chē)通電模式進(jìn)行ESD測試時(shí)，當靜電釋放點(diǎn)在娛樂(lè )子系統顯示屏上時(shí)，顯示屏功能完全正常;當空氣靜電釋放點(diǎn)在排擋鍍鉻球頭上時(shí)，靜電水平±6kV的情況下顯示屏上會(huì )出現瞬間閃屏或者黑線(xiàn)現象，出現頻次較高，測試結果判定失效。經(jīng)過(guò)多輛整車(chē)驗證，失效情況一致，排除車(chē)輛個(gè)例問(wèn)題。該車(chē)型模塊布置如圖1所示，排擋總成右側上下方正好布置了娛樂(lè )子系統控制模塊和顯示屏模塊，控制模塊和顯示屏之間通過(guò)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(wèn)題可以分兩步分析，一是娛樂(lè )子系統自身抗靜電干擾能力;二是排擋總成間接放電對娛樂(lè )子系統顯示屏的影響。

　　首先，采用國際標準ISO10605 2008^[2]方法對娛樂(lè )子系統進(jìn)行直接放電測試，測試結果正常，表1給出了娛樂(lè )子系統受到靜電干擾時(shí)的測試結果。對娛樂(lè )子系統控制模塊和顯示屏模塊分析，發(fā)現兩個(gè)模塊在設計時(shí)都有考慮靜電防護，采用不敏感器件，同時(shí)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(lè )子系統附近約10cm處(模擬VCP放電)，對著(zhù)鍍鉻球頭空氣放電±6kV，如圖2所示，可以明顯看見(jiàn)排擋間隙處產(chǎn)生強烈的火花，顯示屏會(huì )出現瞬間閃屏或者黑線(xiàn)異常，隨著(zhù)空氣放電等級加大，火花更明顯，顯示屏異?，F象也愈加明顯;把排擋總成鍍鉻部分接地，對著(zhù)球頭空氣放電，測試結果正常;采用IEC61000-4-2^[4]標準中的ESD抗擾度測試試驗平臺，用垂直耦合板VCP模擬受試設備娛樂(lè )子系統附近的金屬物品，可以再現失效。

　　由此初步判定，X車(chē)型整車(chē)ESD測試失效的根本原因是排擋總成的孤立設計，當靜電間接放電在排擋總成上時(shí)，由于沒(méi)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。

　　通過(guò)分析X車(chē)型排擋總成發(fā)現，換擋操縱機構總成由手柄操作系統(knob system)、排擋桿和擋位限位組成，手柄操作系統為操作者提供操作的介質(zhì)，手柄機構小巧、裝配零件多，主要由球頭(knob cap)和環(huán)套(ring)及按鈕開(kāi)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(chē)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(guò)尖端、間隙放電導致產(chǎn)生寬帶電磁場(chǎng)且頻率高達數個(gè)GHz，近區磁場(chǎng)強度可達幾十安培每米，電場(chǎng)可達數千伏每米^[7-9]，可以從縫隙進(jìn)入模塊內部，導致模塊失效。

3 解決對策

　　靜電的防護措施主要有：

　　1)接地，就是直接將靜電通過(guò)一條線(xiàn)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)提高設備自身抗靜電能力。

　　根據上面分析，提出3個(gè)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(chē)身底盤(pán)(地)，但是由于排擋總成是個(gè)活動(dòng)零件，接地線(xiàn)方法不牢靠;

　　2)更改PCB，進(jìn)一步提高娛樂(lè )子系統的抗靜電干擾能力，更改周期長(cháng)，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(shí)現較易。

　　綜合考慮，采用方案3。

4 ESD測試方法現狀

　　目前多數整車(chē)廠(chǎng)商對汽車(chē)零部件和子系統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(méi)有VCP測試要求。

　　IEC61000-4-2標準中有專(zhuān)門(mén)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(chǎng)對產(chǎn)品本身的影響。IEC61000-4-2規定靜電發(fā)生器輸出電流的典型波形(圖4)，規定垂直耦合板應與被測設備保持0.1m的距離，對垂直耦合板的一個(gè)豎直邊緣的中心實(shí)施靜電放電，每個(gè)測試點(diǎn)測量10次，記錄電場(chǎng)的峰值，然后取平均值。測量磁場(chǎng)時(shí)，示波器存儲的是磁場(chǎng)探頭的感應電壓 (Uind)波形，經(jīng)過(guò)計算得到相應的磁場(chǎng)強度(H)波形^[6]。

　　感應電壓的表達式為：

(1)

　　有學(xué)者對靜電放電磁場(chǎng)研究，其空間分布和圖像結果表明^[7]：靜電放電是一個(gè)上升時(shí)間約1ns，持續時(shí)間僅幾十個(gè)ns，放電電流可達近百安培的瞬態(tài)過(guò)程。電磁場(chǎng)峰值均出現在了最初的10ns內;隨著(zhù)離放電點(diǎn)距離的增加，輻射電磁場(chǎng)逐漸減弱;同一場(chǎng)點(diǎn)處隨著(zhù)放電電壓的升高，電磁場(chǎng)最大峰值也上升。VCP產(chǎn)生的寬帶電磁場(chǎng)頻率高達數個(gè)GHz，容易影響附近的敏感電子設備。

5 結論

　　隨著(zhù)人們視覺(jué)美觀(guān)追求的提高，在汽車(chē)控制面板上鍍鉻工藝的應用越來(lái)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(shí)容易間接放電產(chǎn)生瞬態(tài)輻射電磁場(chǎng)，從而對安裝在周邊的子系統產(chǎn)生影響。從測試經(jīng)驗上發(fā)現，在未來(lái)的汽車(chē)電子模塊ESD測試不能忽略VCP這個(gè)方法，特別是布置在汽車(chē)控制面板附近的娛樂(lè )子系統控制模塊、導航模塊及Telematics模塊等，在ESD測試方法選擇時(shí)要加以考慮。

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