汽車零部件靜電放電試驗(yàn)及靜電防護(hù)技術(shù)研究

劉 薇

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

隨著智能化汽車的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)品已融合了多媒體設(shè)備、IT設(shè)備、電氣設(shè)備、通信設(shè)備等功能特性于一身，汽車內(nèi)部空間的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，汽車的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）問題越來越嚴(yán)重。電磁兼容性問題不解決，汽車的安全性就沒有保障。汽車的電磁兼容性關(guān)鍵在于零部件的電磁兼容特性，而零部件的電磁兼容特性包含射頻特性、瞬態(tài)特性和靜電放電（ESD）特性。從零部件的型式試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，零部件電磁兼容試驗(yàn)的不合格率約40%。其中，射頻輻射發(fā)射和靜電放電是最薄弱環(huán)節(jié)。所以，靜電放電敏感性是汽車零部件電磁兼容特性的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

1 靜電放電原理及危害性

靜電放電是指不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移。靜電產(chǎn)生的主要方式是摩擦、碰撞、剝離、流動(dòng)、攪拌等。兩種介電常數(shù)不同的物質(zhì)摩擦?xí)r，正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個(gè)物體上，兩個(gè)帶上電荷的物體便成為了靜電源。就人體而言，皮膚與衣服之間磨擦、衣服與座椅之間摩擦、鞋子與地毯之間摩擦是形成靜電積累的主要原因。靜電電荷積累的能量高低主要取決于環(huán)境的相對(duì)濕度和接觸材料的種類，如圖1所示。

圖1 與不同材料接觸時(shí)，可能對(duì)操作人員充電靜電電壓的最大值Fig.1 Maximum electrostatic voltage that may be charged to the operator when in contact with different materials

從圖1可以看出，低濕度情況下合成纖維的充電電壓值可達(dá)15kV，在某些極端情況下，則會(huì)出現(xiàn)更高的充電電壓。所以，人體在不同的環(huán)境中，接觸不同的材料，會(huì)帶上不同量級(jí)的靜電電荷，此時(shí)如果直接用手觸碰和操作電子設(shè)備，就會(huì)發(fā)生不同程度的靜電放電。這種靜電放電的方式分為以下三種：

第一，人手觸碰電子設(shè)備塑料外殼、按鍵、旋鈕、開關(guān)、顯示屏、指示燈等非金屬部位，通過這些部位邊沿縫隙產(chǎn)生火花放電；

第二，人手觸碰電子設(shè)備金屬外殼，在接地回路形成放電電流；

第三，人手觸碰電子設(shè)備連接器針腳，在I/O路徑產(chǎn)生放電電流。

不管是設(shè)備內(nèi)部電路感應(yīng)火花放電形成的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，還是放電電流直接進(jìn)入內(nèi)部電路或者耦合到內(nèi)部電路，都有可能導(dǎo)致電子設(shè)備運(yùn)行紊亂或器件損傷。還有一種特殊情況，就是人體對(duì)電子設(shè)備附近的其他物體發(fā)生靜電放電時(shí)，該設(shè)備也有可能感應(yīng)鄰近物體放電形成的瞬態(tài)場(chǎng)而出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。靜電放電對(duì)電子設(shè)備的危害不僅表現(xiàn)為這種可即時(shí)察覺的性能降低或損壞，有時(shí)還會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生潛在的損傷。因?yàn)橛行┢骷谑艿届o電電流多次沖擊之后，雖然性能沒有明顯改變，但造成了內(nèi)傷，在某些邊界條件下或者惡劣環(huán)境中就有可能出現(xiàn)故障。對(duì)于汽車零部件來說，靜電放電的這種危害不僅表現(xiàn)于具體零部件本身，還有可能影響汽車整體控制功能，甚至造成出現(xiàn)安全故障等嚴(yán)重后果。

2 靜電放電試驗(yàn)方法及影響因素

任何一個(gè)汽車電子部件從開始制造到儲(chǔ)運(yùn)、安裝、使用、維護(hù)直至最終廢棄，在所有過程中都受到靜電的威脅。但是，什么階段、什么情況下會(huì)遭受靜電破壞，是不確定和隨機(jī)的。對(duì)于這種隨機(jī)性的現(xiàn)象，要進(jìn)行分析、研究，唯有采用模擬手段。靜電放電試驗(yàn)就是用來模擬帶電人體對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生放電并評(píng)估電子設(shè)備遭受靜電放電時(shí)的抗擾性能。

靜電放電試驗(yàn)有4種放電模型：①人體模型（Human Body Model，HBM）；②機(jī)器模型（Machine Model，MM）；③帶電器件模型（Charged Device Model，CDM）；④電場(chǎng)感應(yīng)模型（Field-Induced Model，F(xiàn)IM）。對(duì)于不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用的放電模型和等效參數(shù)各不相同。以下是人體放電模型的3種應(yīng)用場(chǎng)景：①微電子器件，阻容參數(shù)100pF/1.5kΩ，參考標(biāo)準(zhǔn)GJB 548B；②消費(fèi)類電子產(chǎn)品，阻容參數(shù)150pF/330Ω，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.2；③汽車及零部件，阻容參數(shù)150pF，330pF/330Ω，2000Ω，參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 10605。

靜電放電試驗(yàn)的原理是通過高壓源對(duì)放電網(wǎng)絡(luò)（放電模型）中的電容進(jìn)行充電至規(guī)定試驗(yàn)電壓，然后利用放電電極（連接于放電網(wǎng)絡(luò)）對(duì)被測(cè)樣件施加放電。靜電放電試驗(yàn)方法雖然簡單，但是在所有電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目中，靜電放電試驗(yàn)的重復(fù)性和可比性最差，因?yàn)橛泻芏嘁蛩貢?huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果，歸納如下：

（1）試驗(yàn)儀器本身的性能

靜電放電模擬器的關(guān)鍵部件之一是高壓繼電器，繼電器的特性不好，會(huì)導(dǎo)致在其閉合和斷開的瞬間所產(chǎn)生的瞬態(tài)場(chǎng)對(duì)被測(cè)樣件造成干擾，引起試驗(yàn)結(jié)果誤判。這種影響是完全隱性的，測(cè)試人員不易察覺，因?yàn)殪o電放電模擬器的技術(shù)指標(biāo)是放電電壓和放電電流，對(duì)于繼電器的特性，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)沒有給出相應(yīng)的要求，所以測(cè)試人員只能通過其他測(cè)量手段進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，并通過橫向比對(duì)來確認(rèn)。

（2）環(huán)境濕度

環(huán)境濕度對(duì)靜電放電強(qiáng)度的影響不容小覷，表1是在不同濕度下放電電流的變化情況。從表1可以看出，當(dāng)濕度較高時(shí)，放電電流明顯偏低，這樣必然會(huì)達(dá)不到應(yīng)有的嚴(yán)酷程度。

表1 不同濕度下放電電流的變化情況Table 1 Changes of discharge current under different humidity

（3）試驗(yàn)場(chǎng)地參考接地情況

靜電放電試驗(yàn)場(chǎng)地的參考平面要確保具有良好的接地效果，包括靜電模擬器放電回路電纜的接地、放電耦合板的接地、被測(cè)樣件的接地等。如果連接不好，就會(huì)直接影響放電電流幅值，從而導(dǎo)致非預(yù)期的、不正常的試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。

（4）操作不規(guī)范

靜電放電試驗(yàn)在EMC所有常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目中最容易受測(cè)試人員主觀因素影響，如：試驗(yàn)前不進(jìn)行放電電壓幅值校準(zhǔn)、放電點(diǎn)位選擇不當(dāng)、模擬器放電回路電纜離被測(cè)件太近、空氣放電時(shí)放電槍接近放電點(diǎn)的速度偏慢、放電槍沒有與放電點(diǎn)所處表面垂直、放電點(diǎn)累積的靜電電荷未及時(shí)消除等。測(cè)試人員的這些不規(guī)范操作會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

對(duì)于汽車零部件靜電放電試驗(yàn)，除上述影響因素之外，還有一些特殊的條件會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的判定。汽車零部件在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于脫離了整車的安裝和使用環(huán)境，需要使用一些等效負(fù)載和輔助設(shè)備來模擬實(shí)車上的電氣特性和數(shù)據(jù)通訊，這些模擬裝置和被測(cè)件一起放置于試驗(yàn)臺(tái)架上，這樣在整個(gè)試驗(yàn)過程中，如果模擬裝置受到干擾出現(xiàn)異常，就會(huì)影響到被測(cè)件，從而導(dǎo)致試驗(yàn)中斷或試驗(yàn)結(jié)果誤判，圖2所示的案例就說明了這一點(diǎn)。

圖2 汽車空調(diào)控制器ESD試驗(yàn)布置Fig.2 ESD test layout of automobile airconditioning controller

圖2是一款汽車空調(diào)控制器在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)的布置圖。被測(cè)件放置在金屬耦合板上，線束僅包含電源線和LIN信號(hào)線，放置在長1.55m、寬4cm的金屬耦合帶上，輔助設(shè)備放置在旁邊的絕緣材料上。在試驗(yàn)過程中，用靜電槍對(duì)金屬耦合帶進(jìn)行15kV靜電放電時(shí)，被測(cè)件出現(xiàn)模式切換、死機(jī)現(xiàn)象，輔助設(shè)備也出現(xiàn)異常。為了排除輔助設(shè)備的影響，把連接被測(cè)件和輔助設(shè)備的LIN信號(hào)線用靜電隔離模塊進(jìn)行隔離，再實(shí)施15kV靜電放電，仍然出現(xiàn)失效，試驗(yàn)結(jié)果判為不合格。在隨后的分析、整改中，發(fā)現(xiàn)輔助設(shè)備對(duì)靜電放電非常敏感，雖然與被測(cè)件連接的LIN信號(hào)線有靜電隔離措施，但由于LIN通訊是共地、單線傳輸，在地線上引入的干擾使輔助設(shè)備失控。之后在LIN信號(hào)線和地線上都加靜電隔離模塊，試驗(yàn)過程中不再出現(xiàn)異常現(xiàn)象。所以對(duì)于零部件的ESD（Electro-Static Discharge）試驗(yàn)，如果不能用實(shí)車上的實(shí)際負(fù)載，那么模擬負(fù)載既要符合實(shí)車上的接地特性、阻抗特性、數(shù)據(jù)傳輸特性，還要便于對(duì)被測(cè)件的功能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；另外，還必須考慮如何采取有效措施確保模擬負(fù)載和輔助設(shè)備不會(huì)受到干擾、不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。

3 汽車零部件抗靜電敏感性對(duì)策

靜電放電試驗(yàn)可以準(zhǔn)確地評(píng)估汽車零部件的抗靜電干擾性能。對(duì)于那些抗靜電干擾性能不好的產(chǎn)品，可以確定其敏感點(diǎn)位、敏感電壓閾值，然后采取針對(duì)性的抑制措施，再進(jìn)行試驗(yàn)以確認(rèn)整改措施的有效性。有些產(chǎn)品可能需要反復(fù)地整改和驗(yàn)證，這樣增加了成本、延誤了產(chǎn)品開發(fā)周期。所以應(yīng)在產(chǎn)品研發(fā)階段同步進(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)。

電子產(chǎn)品的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)是其電磁兼容特性設(shè)計(jì)的主題之一，電磁兼容設(shè)計(jì)的常規(guī)措施，如電源濾波、屏蔽體搭接、接地連續(xù)性、PCB層疊結(jié)構(gòu)、高速模塊布線布局優(yōu)化等，對(duì)降低產(chǎn)品靜電放電敏感性都有改善作用。然而，采用瞬態(tài)抑制器件是最直接最有效的手段。TVS（Transient Voltage Suppressor）管就是運(yùn)用最廣泛和最適合的靜電防護(hù)器件。

TVS是一種由半導(dǎo)體硅材料制成的特殊二極管，并聯(lián)于電路中，平時(shí)工作于反向截止?fàn)顟B(tài)（呈現(xiàn)高阻）。當(dāng)電路中出現(xiàn)大幅度的瞬態(tài)電壓或脈沖電流時(shí)，TVS管在極短的時(shí)間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)入反向?qū)顟B(tài)，并將電路的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值。該箝位電壓低于后級(jí)電路中其他元件的最高耐壓，因此可以有效地保護(hù)后級(jí)電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊。由于靜電放電是一個(gè)極其快速的瞬態(tài)過程，放電電流的上升時(shí)間僅0.8ns，如圖3所示，持續(xù)時(shí)間僅數(shù)十納秒，而TVS管的響應(yīng)時(shí)間在1ns以下，因此可以瞬間吸收靜電放電產(chǎn)生的脈沖能量。另一方面，TVS管具有瞬態(tài)功率大、漏電流低、箝位電壓易于控制、體積小等優(yōu)點(diǎn)，所以是靜電防護(hù)電路設(shè)計(jì)中最主要的瞬態(tài)抑制器件。

圖3 放電電壓為4kV的接觸放電電流波形（150pF/330Ω放電網(wǎng)絡(luò)）Fig.3 Contact discharge current waveform with a discharge voltage of 4kV（150pF/330Ωdischarge network）

汽車零部件的靜電防護(hù)要求，相對(duì)于普通電子產(chǎn)品來說更為苛刻。從零部件的靜電放電試驗(yàn)等級(jí)就可以體現(xiàn)出來，普通電子產(chǎn)品的最高試驗(yàn)等級(jí)是15kV，而汽車零部件的最高試驗(yàn)等級(jí)是25kV。另一方面，汽車零部件對(duì)于I/O接口的靜電放電要求也嚴(yán)酷很多，普通電子產(chǎn)品只針對(duì)接插件外殼施加靜電放電，而汽車零部件要對(duì)接口PIN腳施加靜電放電。所以汽車零部件的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)必須充分考慮這些特殊要求，對(duì)關(guān)鍵接口電路和控制電路采用多級(jí)防護(hù)和加強(qiáng)防護(hù)措施。

圖4是一種典型的CAN接口靜電防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例。圖中，D1、D2為TVS管，分別連接在CAN_H與GND、CAN_L與GND之間，作為專用靜電干擾抑制器件，放置在最靠近接口的位置；C1、C2以及L1主要用來抑制射頻干擾信號(hào)，對(duì)靜電放電引起的瞬態(tài)脈沖信號(hào)也有一定的抑制作用。這些防護(hù)器件的參數(shù)，要根據(jù)接口電路的工作電壓和信號(hào)傳輸速率進(jìn)行合理選擇，圖4中TVS管的反向截止電壓要大于3.5V，結(jié)電容要小于100pF，共模電感L1的典型阻抗值為1000Ω/100MHz，濾波電容C1和C2的典型取值為100pF。對(duì)于汽車零部件的其他非屏蔽I/O接口，都可以參照?qǐng)D4選用適合的防護(hù)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電干擾的有效控制。

圖4 CAN接口靜電防護(hù)電路示例Fig.4 Example of CAN interface electrostatic protection circuit

靜電放電對(duì)零部件內(nèi)部電路的影響，不僅來自外部接口電路導(dǎo)入的靜電放電電流，還有一個(gè)復(fù)雜的途徑，就是內(nèi)部各種引線和PCB布線感應(yīng)、耦合放電電流產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)。前面圖3是放電網(wǎng)絡(luò)為150pF/330Ω、放電電壓為4kV的放電電流波形，圖5是瞬態(tài)放電電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)波形（距離放電點(diǎn)0.4m處）。從圖3和圖5中可以看出，脈沖電流峰值約15A，脈沖磁場(chǎng)峰值約3A/m，脈沖波形的上升時(shí)間為ns級(jí)。所以在施加靜電放電的瞬間，由高強(qiáng)度的放電電流產(chǎn)生高強(qiáng)度的瞬態(tài)磁場(chǎng)，在內(nèi)部電路中的引線回路、PCB布線環(huán)路上感應(yīng)出高頻干擾信號(hào)，從而導(dǎo)致電路失控、功能異常。內(nèi)部電路對(duì)靜電放電的敏感程度，主要取決于控制芯片的靜電敏感性，因此對(duì)控制芯片的靜電防護(hù)至關(guān)重要。

圖5 距離放電點(diǎn)0.4m處的輻射磁場(chǎng)Fig.5 Radiation magnetic field at 0.4m from the discharge point

圖6所示是一種典型的車內(nèi)信息系統(tǒng)顯示屏主控芯片靜電防護(hù)方案。該方案不包含電路布局布線設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)等，僅針對(duì)如何利用瞬態(tài)抑制器件進(jìn)行ESD有效防護(hù)，主要有以下措施：

圖6 一種車機(jī)主屏控制芯片的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)Fig.6 An electrostatic protection design for the main screen control chip of a car

（1）供電電源端口

供 電 管 腳VDD、VDDA、VDDIO_1、VDDIO_2連接到一起，在VDD&VSS、VDDA&VSSA、VDDIO_1&VSSIO_1、VDDIO_2&VSSIO_2之間分別加高頻去耦陶瓷電容，容值100nF；另外，并聯(lián)1個(gè)1 μF的鉭電容或電解電容，用來拓寬濾波頻率范圍。

（2）復(fù)位信號(hào)端口

復(fù)位信號(hào)是芯片ESD敏感性的關(guān)鍵因素，可以采用加強(qiáng)防護(hù)措施?？拷鼜?fù)位按鈕端口處加TVS管D1，然后再串接一個(gè)磁珠L1、并聯(lián)一個(gè)電容C1，磁珠L1典型值為600Ω/100MHz，電容C1典型值為100nF。

（3）時(shí)鐘信號(hào)端口

時(shí)鐘信號(hào)端口OSCIN、OSCOUT分別對(duì)地加20pF陶瓷電容，作為晶振負(fù)載電容和濾波電容。另外，可以考慮在芯片的CLK_CCO時(shí)鐘輸出端口加RC濾波。

汽車零部件控制電路的常用芯片都可以參照?qǐng)D6選取適合的干擾抑制器件，以避免芯片在遭遇到靜電放電引起的瞬態(tài)脈沖干擾時(shí)出現(xiàn)失控、復(fù)位、損壞現(xiàn)象。當(dāng)然，不同的零部件、不同的控制電路，其靜電防護(hù)能力可以有所不同，防護(hù)措施也可以有強(qiáng)有弱，具體要根據(jù)各自的供電方式、安裝位置、殼體材料、接地方式、PCB版圖、工作頻率以及車廠的ESD技術(shù)指標(biāo)來確定。另一方面，在選擇控制芯片的時(shí)候，要關(guān)注芯片的ESD保護(hù)等級(jí)這個(gè)參數(shù)，要選擇HBM（人體放電模型）2kV以上的IC，這樣可以達(dá)到內(nèi)外雙重防護(hù)效果。但是，盡管采取了多種靜電防護(hù)措施，在實(shí)際的ESD試驗(yàn)中，仍有很多電子部件會(huì)失效，如：組合儀表、空調(diào)控制器、全景泊車系統(tǒng)、行車記錄儀、顯示屏、E-BOX、BCM等，會(huì)出現(xiàn)花屏、黑屏、閃屏、死機(jī)、復(fù)位、通訊中斷、亂碼等故障。所以，靜電放電問題是汽車零部件質(zhì)量控制中的疑難雜癥，如何有效地消除和抑制靜電放電帶來的隱患，還需要不斷地探索和研究。

4 結(jié)語

靜電放電問題在各個(gè)領(lǐng)域備受關(guān)注。解決汽車零部件靜電放電問題的主要途徑是：充分了解和充分重視靜電放電帶來的各種危害、采取各種有效的靜電防護(hù)措施、對(duì)靜電防護(hù)效果進(jìn)行有效驗(yàn)證。本文結(jié)合汽車零部件的具體特點(diǎn)，對(duì)靜電放電的原理、靜電放電的瞬態(tài)特性、靜電放電試驗(yàn)的影響因素以及靜電放電防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入解析，可以給產(chǎn)品研發(fā)、測(cè)試和質(zhì)量管理人員提供參考。