炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表電磁場分析

/ .延鋒偉世通電子科技（上海）有限公司；.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們不僅關(guān)注機(jī)動(dòng)車的動(dòng)力和外觀，機(jī)動(dòng)車的內(nèi)飾部分也逐漸成為消費(fèi)者選擇機(jī)動(dòng)車的重要指標(biāo)。然而在機(jī)動(dòng)車內(nèi)飾中，機(jī)動(dòng)車儀表的造型和風(fēng)格直接影響著消費(fèi)者的駕駛心情。當(dāng)司機(jī)坐進(jìn)機(jī)動(dòng)車座艙，首先面對(duì)的就是機(jī)動(dòng)車儀表。機(jī)動(dòng)車儀表是機(jī)動(dòng)車信息的主要顯示界面，它提供了車速、轉(zhuǎn)速、油量、水溫、報(bào)警燈等重要信息。整車廠一致認(rèn)為機(jī)動(dòng)車儀表是級(jí)別較高的機(jī)動(dòng)車零部件，屬于安全件的范疇，其反饋的正確與否直接影響到駕駛安全。因此機(jī)動(dòng)車儀表在車輛行駛過程中必須工作正常，并能抵抗各種電磁干擾。

在很長一段時(shí)間里，炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表成為消費(fèi)者的親睞對(duì)象。整車廠為了吸引消費(fèi)者，將自家的機(jī)動(dòng)車儀表的造型和風(fēng)格都定義成炮筒式，為了增強(qiáng)立體效果，在炮筒的正面鑲嵌電鍍?nèi)Γ沟脵C(jī)動(dòng)車儀表更加美觀。然而隨著炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表電鍍?nèi)Φ脑黾?，?duì)于機(jī)動(dòng)車儀表的電磁兼容性卻是增加了很大的挑戰(zhàn)，特別是靜電放電試驗(yàn)，逐漸成為炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表設(shè)計(jì)和測試的關(guān)注重點(diǎn)。

本文用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator)模擬實(shí)際項(xiàng)目中儀表電鍍環(huán)以及電鍍環(huán)與儀表電路板相對(duì)位置，并進(jìn)行仿真分析。通過比較仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果，證明了該方法的正確性，最終通過分析機(jī)動(dòng)車儀表在靜電試驗(yàn)產(chǎn)生的電磁場，給出電磁兼容靜電設(shè)計(jì)和測試合理的建議。

1 靜電放電要求

ISO 10605-2008對(duì)應(yīng)GB/T 19951-2005是關(guān)于道路車輛靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗(yàn)方法。在GB/T 19951-2005中，對(duì)電子模塊的試驗(yàn)規(guī)定：直接接觸放電端安裝在ESD模擬器上，并對(duì)可觸及的放電點(diǎn)直接接觸放電試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓采用表1規(guī)定的接觸放電電壓等級(jí)。空氣放電端安裝在ESD模擬器上，距離被試設(shè)備至少15 mm。放電端垂直（±15°）對(duì)準(zhǔn)放電位置，以速度不大于5 mm/s緩慢靠近，直至放電。按照?qǐng)D1中空氣放電電壓等級(jí)測試各點(diǎn)。如無放電產(chǎn)生，則繼續(xù)移動(dòng)放電端直至放電端與放電點(diǎn)接觸。如仍無放電產(chǎn)生，則此位置及此電壓等級(jí)下的試驗(yàn)停止。由于整車廠的靜電放電標(biāo)準(zhǔn)是建立在ISO 10605-2008基礎(chǔ)之上，因此要求大同小異，在此不展開細(xì)說。

表1 電子模塊（通電運(yùn)行）試驗(yàn)嚴(yán)酷程度等級(jí)

根據(jù)ISO 10605-2008或GB/T 19951-2005對(duì)電子模塊的靜電放電要求以及各整車廠的靜電放電要求，當(dāng)炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表正面的電鍍?nèi)]有被機(jī)動(dòng)車儀表玻璃罩保護(hù)時(shí)，必須對(duì)炮筒的電鍍?nèi)M(jìn)行接觸放電和空氣放電。

2 靜電放電試驗(yàn)本質(zhì)

由經(jīng)驗(yàn)知，在靜電放電試驗(yàn)過程中，當(dāng)靜電釋放在炮筒的電鍍?nèi)r(shí)，機(jī)動(dòng)車儀表會(huì)存在兩種比較典型的失效現(xiàn)象：

1）機(jī)動(dòng)車儀表的液晶顯示屏（LCD）花屏，特別是針對(duì)電磁兼容抗擾性較差的低端斷碼屏和點(diǎn)陣屏。

2）機(jī)動(dòng)車儀表重啟，也就是所謂的Reset現(xiàn)象。

先從靜電放電的測試本質(zhì)來研究，如圖1（來源于Ford FMC 1278）所示，在進(jìn)行靜電放電時(shí)，需要將靜電槍的接地線接至參考地。受試設(shè)備放置在50 mm絕緣材料上。如果受試設(shè)備是在整車中需要接地，則需要用銅編織帶連接受試設(shè)備與參考地。靜電槍頭放電至受試設(shè)備上可能會(huì)被手觸摸到的部位或垂直/水平耦合板（具體的放電測試點(diǎn)會(huì)在電子零部件的測試計(jì)劃中有所體現(xiàn)）。

圖1 靜電放電的試驗(yàn)圖（通電運(yùn)行）

靜電放電試驗(yàn)從標(biāo)準(zhǔn)上看是一種電壓的測試，但實(shí)際上是一種電流的測試。因?yàn)楦鶕?jù)歐姆定律，有電壓和阻抗，必然產(chǎn)生電流。靜電放電試驗(yàn)是一種以共模為主的抗擾試驗(yàn)，靜電放電的電流最終會(huì)流向參考地。因此分析靜電放電電流的路徑和電流大小具有非常重要的意義。如果靜電放電路徑經(jīng)過受試設(shè)備內(nèi)部電路，受試設(shè)備受靜電放電影響就會(huì)很大。防靜電放電設(shè)計(jì)的根本就是要避免靜電放電的電流流過受試設(shè)備的內(nèi)部電路。

從炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表的結(jié)構(gòu)觀察，炮筒的電鍍?nèi)嚯xPCB約10 cm，且與PCB沒有物理接觸。很多電磁兼容工程師很難理解沒有放電到PCB卻會(huì)產(chǎn)生的失效現(xiàn)象。很難用靜電放電的試驗(yàn)本質(zhì)來解釋這個(gè)問題，因?yàn)橐粋€(gè)重要的概念 — 電磁場一直被忽略。靜電放電的試驗(yàn)本質(zhì)是來自共模電流的干擾，而共模電流還會(huì)伴隨瞬態(tài)電磁場的產(chǎn)生。

3 電磁場原理

在靜電場中，當(dāng)電荷在電場中某一位置上，會(huì)受到電場力的作用，該位置具有一定的電場強(qiáng)度。電場中某一點(diǎn)的電場強(qiáng)度的大小與產(chǎn)生電場的電荷q成正比，與該點(diǎn)距離源電荷的距離平方成反比。為了正確反映電場強(qiáng)度的性質(zhì)，物理學(xué)中定義了電場強(qiáng)度，用E表示，即靜電場中某一點(diǎn)的電場強(qiáng)度在量值上等于單位正電荷在該點(diǎn)所受到的電場力。

從靜電場的電場強(qiáng)度去分析，炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表的結(jié)構(gòu)決定，當(dāng)靜電槍向炮筒的電鍍?nèi)κ┘屿o電時(shí)，在炮筒的電鍍?nèi)ι线B續(xù)分布著電荷，從而產(chǎn)生一個(gè)電場，因此在機(jī)動(dòng)車儀表PCB處會(huì)有一個(gè)電場強(qiáng)度E。

中國和東南亞，自古有著密切的文化聯(lián)系。在體育交往上，早在東漢永寧元年(公元120年)，就有緬甸(撣國)國王雍由調(diào)派遣使臣帶樂隊(duì)和雜技演員(幻人)到洛陽表演，一時(shí)轟動(dòng)京城的歷史記載[1]。公元187年，廣西梧州人士燮就任越南(交趾)太守，廣開學(xué)校，促使“交趾成了通詩書、習(xí)禮樂的文獻(xiàn)之邦”[2]。其中的禮，有射禮；樂，有樂舞。

如圖2，假設(shè)炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表的電鍍?nèi)Φ陌霃綖镽，電鍍?nèi)鶆驇в须姾蓂，電鍍?nèi)茷榧?xì)圓環(huán)，則其上的電荷密度為q/2近似，則P點(diǎn)的電場強(qiáng)度為

其中ε0是真空的介電常數(shù)

圖2 電鍍?nèi)Ξa(chǎn)生的電場強(qiáng)度

在運(yùn)動(dòng)電荷的周圍，不僅存在電場，而且還存在著磁場。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律的應(yīng)用，可以求得環(huán)形載流導(dǎo)線中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

如圖3，假設(shè)炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表的電鍍?nèi)Φ陌霃綖閞，電流為I的圓環(huán)形電流，則電鍍?nèi)A心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

圖3 電鍍?nèi)A心的磁感應(yīng)強(qiáng)度（x方向垂直于圓）

4 HFSS實(shí)例仿真

使用HFSS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，模擬實(shí)際在炮筒式儀表盤電鍍?nèi)ι响o電放電試驗(yàn)，建模如圖4所示。

在機(jī)動(dòng)車儀表芯片工作范圍內(nèi)，對(duì)該模型進(jìn)行電磁仿真。在機(jī)動(dòng)車儀表電鍍?nèi)o電放電，在電鍍?nèi)χ車约半婂內(nèi)ο路絻x表電路板上面仿真出的電場分布如圖5所示。場強(qiáng)由紅色區(qū)域向藍(lán)色區(qū)域逐漸減小，激勵(lì)源附近電場強(qiáng)度最強(qiáng)，同時(shí)靜電傳導(dǎo)到電鍍環(huán)后，電鍍環(huán)又作為源向下方電路板輻射電場。

圖5 電鍍環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靜電電場分布

5 結(jié)語

從電場的角度分析，可以得出，電場強(qiáng)度與電鍍?nèi)Φ陌霃揭约半婂內(nèi)Φ絇CB的距離成反比。

炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表在靜電放電試驗(yàn)過程中，不僅存在共模電流的傳導(dǎo)干擾，當(dāng)對(duì)炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表正面的電鍍?nèi)M(jìn)行接觸放電和空氣放電時(shí)，共模電流在電鍍?nèi)χ車纬呻姶艌觯瑥目臻g上對(duì)PCB形成耦合干擾。

因此，對(duì)炮筒式機(jī)動(dòng)車儀表正面的電鍍?nèi)M(jìn)行接觸放電和空氣放電是電磁兼容測試中一項(xiàng)重要指標(biāo)。具體放電點(diǎn)需要機(jī)動(dòng)車儀表供應(yīng)商與整車廠的電磁兼容工程師共同探討選取。

對(duì)于靜電釋放在炮筒的電鍍?nèi)r(shí)，機(jī)動(dòng)車儀表會(huì)存在兩種比較典型的失效現(xiàn)象的應(yīng)對(duì)方案：

（1）機(jī)動(dòng)車儀表的LCD花屏，特別是針對(duì)電磁兼容抗擾性較差的低端斷碼屏和點(diǎn)陣屏。

建議在LCD的引腳處預(yù)留濾波電路；選擇電磁兼容抗擾性較好的斷碼屏和點(diǎn)陣屏。

（2）機(jī)動(dòng)車儀表重啟，也就是所謂的Reset現(xiàn)象。

建議在Reset信號(hào)線上預(yù)留去耦電容；并在設(shè)計(jì)時(shí)，注意Reset信號(hào)的走線，盡量避開電鍍?nèi)γ舾袇^(qū)域。

對(duì)于機(jī)動(dòng)車儀表中的一些重要且敏感信號(hào)要盡量避免從電鍍?nèi)^(qū)域走線，若一定要從電鍍?nèi)^(qū)域走線，要注意在電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留保護(hù)措施，以應(yīng)對(duì)在靜電放電試驗(yàn)中電鍍?nèi)χ車a(chǎn)生的電磁場耦合干擾。

本文是基于一個(gè)可分析的相對(duì)理想模型，從電場和磁場的角度進(jìn)行研究。在實(shí)際的工程運(yùn)用中，還存在一些不確定的因素，這都需要在今后的工作中進(jìn)一步研究。

[1]International Organization for Standardization. ISO 10605-2008 Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge[S].Switzerland：ISO copyright office, 2008.

[2]International Organization for Standardization. ISO 10605-2001 Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge[S].Switzerland：ISO copyright office, 2001.

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[5]鄭軍奇.EMC電磁兼容測試與案例分析，2版[M]北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6]高等?？茖W(xué)校試用教材編委會(huì).物理學(xué)，2版[M]上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001.

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