ESD試驗(yàn)技術(shù)在組合儀表中的研究與應(yīng)用

劉 姣

（神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430056）

1 引言

靜電放電（Electro-static Discharge，ESD）是指具有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)移的一種電磁干擾現(xiàn)象。它是一種常見的近場(chǎng)危害源，其放電過程可形成高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、瞬時(shí)大電流，且放電過程中易產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射而形成電磁脈沖，易導(dǎo)致敏感電子設(shè)備或控件受到持續(xù)的干擾乃至破壞，使其性能下降或直接被損壞。

當(dāng)代汽車的電子化程度越來越高，若汽車上電子電氣設(shè)備不能滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)且具有一定的抗電磁干擾能力，就可能導(dǎo)致設(shè)備性能降低或引發(fā)安全事故。近些年，汽車召回事件屢見不鮮，其中由于靜電問題所引發(fā)的召回事件時(shí)有發(fā)生。如2006年通用汽車公司在全球召回部分霍頓Statesman轎車事件，2011年豐田汽車有限公司召回33809輛花冠EX（COROLLA EX）轎車事件。這種情況不僅使用戶產(chǎn)生疑慮、給其帶來不便，更給汽車生產(chǎn)商造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

為保證汽車安全、可靠、有效地運(yùn)行，汽車上的電子零部件和整車電子電氣系統(tǒng)均需進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗(yàn)，即ESD試驗(yàn)。汽車儀表提供汽車運(yùn)行的參數(shù)信息，幫助駕駛員準(zhǔn)確掌握車輛狀況，對(duì)安全駕駛具有重要意義。因此，對(duì)汽車儀表進(jìn)行ESD試驗(yàn)，并對(duì)其抗靜電干擾性能進(jìn)行評(píng)估就顯得十分必要。

2 靜電放電

靜電在日常生活中無處不在，人體是最重要的靜電源，身上和周圍可帶有幾千伏甚至幾萬伏的靜電電壓，如人走過化纖地毯時(shí)產(chǎn)生的靜電大約為3.5萬伏，翻閱塑料說明書時(shí)大約7千伏。人手握車門把手、觸摸汽車儀表等也會(huì)產(chǎn)生靜電。

目前國內(nèi)外對(duì)靜電的研究主要集中在靜電產(chǎn)生原理、靜電危害及防護(hù)技術(shù)、靜電應(yīng)用技術(shù)、靜電放電模型以及靜電放電試驗(yàn)技術(shù)等方面。靜電放電具有隱蔽性、潛在性、累積性、隨機(jī)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)。它有兩種表現(xiàn)形式：一是通過導(dǎo)體直接耦合，二是通過空間輻射耦合。

2.1 靜電危害

靜電可在多個(gè)領(lǐng)域造成嚴(yán)重危害，特別是靜電引起的火災(zāi)與爆炸事故帶來的后果不堪設(shè)想。敏感電子元器件半導(dǎo)體組件 （如二極管、三極管、集成芯片等）、薄膜電阻、混合電路器件、可控硅以及晶體管等最易受靜電放電的影響。靜電對(duì)電子產(chǎn)品的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）靜電吸附灰塵，易造成元器件間的引線短路，縮短壽命。

2）靜電放電電流或電場(chǎng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)，易使元器件或系統(tǒng)受到潛在的損傷或誤判斷。

3）靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可達(dá)幾百伏/米的幅度、十兆到千兆的寬頻譜，對(duì)電子產(chǎn)品造成強(qiáng)電磁干擾而損壞。

2.2 靜電放電模型

人體靜電通過放電、釋放靜電能量造成危害。汽車電子ESD試驗(yàn)是在干燥的環(huán)境下，通過模擬帶靜電的人體在裝配、存放、搬運(yùn)、維護(hù)或?qū)囕v進(jìn)行操作時(shí)，對(duì)汽車電子電氣零部件的靜電放電過程，以此來驗(yàn)證零部件對(duì)靜電放電的抗干擾能力。汽車電子ESD試驗(yàn)是基于人體放電模型即ESD人體模型來進(jìn)行的，ESD人體模型圖如圖1所示，該模型實(shí)際為一個(gè)等效阻容網(wǎng)絡(luò)。

圖1 ESD人體模型

各個(gè)汽車廠商對(duì)ESD人體模型采用的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，PSA B21 7110中使用了兩種ESD模型。未通電模式下，C=150pF，R=330Ω；通電模式下，C=330pF，R=2000Ω。

2.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

ESD試驗(yàn)需要根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，目前靜電放電試驗(yàn)參考的國際標(biāo)準(zhǔn)為：IEC/EN 61000-4-2、ISO 10605。我國國家標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 17626.2《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)》，GB/T 19951《道路車輛靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗(yàn)方法》。各大汽車生產(chǎn)商一般都有各自的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且要求比國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，神龍汽車有限公司采用PSA的B21 7110（引用ISO 10605）。

3 儀表的ESD試驗(yàn)

ESD試驗(yàn)要求在組件層面、系統(tǒng)層面、整車層面3個(gè)方面進(jìn)行。汽車儀表組件層面的測(cè)試在試驗(yàn)室中進(jìn)行，靜電發(fā)生器為測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成設(shè)備。本試驗(yàn)按照B21 7110標(biāo)準(zhǔn)要求，采用瑞士EM TEST公司的ESD30N對(duì)神龍公司某車型儀表進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架

對(duì)被測(cè)設(shè)備或器件（EUT）進(jìn)行ESD試驗(yàn)有兩種工作模式，一種是EUT不通電，另一種是EUT通電。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，需按要求搭建試驗(yàn)臺(tái)架。圖2為試驗(yàn)臺(tái)架的示意圖，圖中描述了未通電模式與通電模式兩種工作模式下的臺(tái)架配置。

圖中的參考地面為厚度不小于1mm的金屬板，它是EUT、靜電放電發(fā)生器等的公共參考地，其直接與大地相連。絕緣襯墊為厚度大于0.5mm的非吸濕性耗散材料，用來放置EUT，如儀表等。絕緣底座用于支撐線束電纜，厚度為50mm。

未通電模式，對(duì)EUT進(jìn)行直接放電。通電模式下，除進(jìn)行直接放電外，還需通過耦合平面對(duì)EUT進(jìn)行間接放電，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

3.2 試驗(yàn)點(diǎn)的選取

人體產(chǎn)生的靜電放電是汽車電子的一個(gè)主要干擾源。因此，測(cè)試點(diǎn)的選取就需要將這些人體直接或間接可能接觸的點(diǎn)都考慮進(jìn)去。測(cè)試點(diǎn)選取按照如下規(guī)則。

傳導(dǎo)部分：如緊固件螺母、金屬支撐架、PIN腳及金屬外殼等。

絕緣部分：人機(jī)接口的任何位置如方向盤、門把手、開關(guān)、旋紐、按鍵、鍵盤、屏幕、絕緣外殼及其它操作可接觸的部位等。

對(duì)神龍公司某車型儀表的放電試驗(yàn)點(diǎn)選取如圖3所示，主要包括儀表接插件的PIN腳、按鍵、指示器、屏幕、緊固件螺母和金屬支撐架等可接觸的部位。若在通電模式下，還需對(duì)儀表的連接器外殼和線束電纜進(jìn)行空氣放電。

圖3 某車型儀表ESD試驗(yàn)點(diǎn)

3.3 試驗(yàn)方法

儀表的ESD試驗(yàn)需在儀表未通電和通電兩種模式下進(jìn)行，其試驗(yàn)流程如圖4所示。在未通電模式下，按要求施加完脈沖后對(duì)儀表的功能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。而在通電模式下，則在施加脈沖過程中和之后都需對(duì)儀表的功能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

圖4 ESD試驗(yàn)流程

兩種工作模式下的試驗(yàn)方法雖然類似，但未通電模式下采用的是先電壓嚴(yán)酷等級(jí)后±極性的方法，僅需要進(jìn)行直接放電試驗(yàn)；而通電模式下則采用的是先±極性后電壓嚴(yán)酷等級(jí)的方法，需要進(jìn)行直接放電和間接放電試驗(yàn)，且嚴(yán)酷等級(jí)要求更高。試驗(yàn)的一組脈沖包括10次放電脈沖，每次放電脈沖的間接時(shí)間為1s。

未通電模式

未通電狀態(tài)下，ESD30N使用150pF、330Ω的放電網(wǎng)絡(luò)模塊，按照以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

1）搭建測(cè)試臺(tái)架。

2）檢查測(cè)試環(huán)境。

3）使用ESD30N對(duì)儀表的傳導(dǎo)部分的點(diǎn)釋放一組+4kV接觸放電脈沖，接著是一組+8kV脈沖；然后再釋放一組-4kV放電脈沖，接著是-8kV一組脈沖。

4）施加完所有脈沖后驗(yàn)證儀表功能，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5）使用ESD30N對(duì)儀表的絕緣部分的點(diǎn)釋放一組+8kV空氣放電脈沖，接著是一組+15kV脈沖；然后再釋放一組-8kV放電脈沖，接著是-15kV一組脈沖。

6）重復(fù)4）。

7）使用ESD30N對(duì)儀表的PIN腳釋放一組+2kV接觸放電脈沖，接著是一組+4kV脈沖；然后再釋放一組-2kV放電脈沖，接著是-4kV一組脈沖。

8）重復(fù)4）。

通電模式

通電狀態(tài)下，使用330pF、2000Ω的放電網(wǎng)絡(luò)模塊，試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行。

1）搭建測(cè)試臺(tái)架。

2）檢查測(cè)試環(huán)境。

3）運(yùn)行儀表，時(shí)間為10min。

4）使用ESD30N對(duì)儀表的傳導(dǎo)部分的點(diǎn)釋放一組+2kV接觸放電脈沖，接著是一組-2kV脈沖。

5）在試驗(yàn)進(jìn)行過程中和之后驗(yàn)證儀表功能，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6）分別以±4kV、±8kV、±15kV重復(fù)4）、5）。

7）使用ESD30N對(duì)儀表的絕緣部分的點(diǎn)（包括連接器外殼和線束）釋放一組+4kV的空氣放電脈沖，然后再釋放一組-4kV脈沖。

8）重復(fù)5）。

9）分別以±8kV、±15kV、±25kV重復(fù)7）、8）。

10）使用ESD30N對(duì)水平耦合板（儀表需放置于距耦合板邊緣的10cm位置）釋放一組+2kV放電脈沖，然后再釋放一組-2kV脈沖。

11）重復(fù)5）。

12）分別以±4kV、±8kV、±15kV重復(fù)10）、11）。

13）重復(fù)5）。

進(jìn)行接觸放電時(shí)，使用ESD30N的尖頭直接接觸測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行脈沖釋放；進(jìn)行空氣放電時(shí)，使用ESD30N的圓頭以緩慢的速度靠近測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行脈沖釋放；進(jìn)行間接放電時(shí)，儀表需放置在距耦合板邊緣10cm處，使用ESD30N的尖頭在儀表的前、后、左、右4個(gè)方向?qū)λ今詈习暹M(jìn)行接觸脈沖釋放。

3.4 試驗(yàn)評(píng)估

3.4.1 評(píng)估規(guī)則

測(cè)試結(jié)果的評(píng)估一般按照EUT功能受影響的程度做判定，按照測(cè)試流程，需不斷對(duì)儀表的功能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，按照B21 7110標(biāo)準(zhǔn)的定義，評(píng)估等級(jí)分為A、B、C、D、E五級(jí)，具體評(píng)估規(guī)則如下所述。

A：EUT的功能在試驗(yàn)期間和之后均符合設(shè)計(jì)要求。

B：某些功能在試驗(yàn)期間出現(xiàn)偏差，試驗(yàn)結(jié)束后與A相符。

C：某些功能在試驗(yàn)期間出現(xiàn)異常，試驗(yàn)結(jié)束后可自動(dòng)恢復(fù)。

D：某些功能在試驗(yàn)期間出現(xiàn)異常，操作人員干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位后，功能可以恢復(fù)。

E：EUT損壞。

評(píng)估方法

通電模式下，在試驗(yàn)過程中，對(duì)儀表進(jìn)行功能評(píng)估主要靠觀察的方法。而按照流程步驟，兩種工作模式下，每組試驗(yàn)之后都需對(duì)儀表進(jìn)行全面的功能評(píng)估。評(píng)估使用德國Vector公司的CANalyzer軟件，并針對(duì)該車型儀表在軟件中編寫個(gè)性化的圖形化試驗(yàn)程序。按照制定的試驗(yàn)計(jì)劃，逐步驗(yàn)證儀表的各項(xiàng)功能，圖5為針對(duì)該車型儀表的圖形化試驗(yàn)程序界面。

圖5 圖形化試驗(yàn)程序界面

評(píng)估結(jié)果分析

兩種工作模式下，在試驗(yàn)步驟中的每組ESD試驗(yàn)之后，通過圖形化軟件程序的模擬試驗(yàn)，儀表各項(xiàng)功能都正常。

但在通電模式的試驗(yàn)過程中，對(duì)于傳導(dǎo)部分21-28這8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)施加+8kV、-8kV嚴(yán)酷等級(jí)的兩組接觸放電脈沖時(shí)，儀表的駕駛員和副駕駛員安全帶報(bào)警燈出現(xiàn)了閃亮情況，脈沖結(jié)束后自動(dòng)恢復(fù)正常。對(duì)這8個(gè)點(diǎn)施加+15kV、-15kV的兩組放電脈沖時(shí)，整個(gè)儀表盤熄滅，脈沖結(jié)束后2s左右，儀表盤自動(dòng)點(diǎn)亮，恢復(fù)正常。這兩組電壓等級(jí)的評(píng)估結(jié)果為C。步驟中的其它試驗(yàn)組，未發(fā)現(xiàn)儀表發(fā)生異常，評(píng)估結(jié)果為A。

在滿足要求的試驗(yàn)室環(huán)境下（溫度21℃、濕度50%），該車型儀表的ESD試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可見傳導(dǎo)部分比絕緣部分更容易受干擾，從結(jié)果可以得出該車型儀表的抗靜電干擾性能滿足B21 7110要求。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4 靜電防護(hù)方案

通過分析，在通電模式的±8kV、±15kV等級(jí)下進(jìn)行接觸放電試驗(yàn)時(shí)，由于儀表緊固件螺母（試驗(yàn)點(diǎn)21-28）防靜電措施的不足引起儀表防靜電性能的降低，建議采取以下措施進(jìn)一步提高儀表的防靜電性能等級(jí)。

1）介質(zhì)隔離，在裸露的螺母表面貼覆低介電常數(shù)材料或直接使用塑料螺母，使其與儀表的內(nèi)部電路隔離開來，避免靜電放電的發(fā)生。

2）采取措施使PCB板的螺絲孔與大地相連，這樣靜電干擾可直接泄放至大地，保證其不干擾內(nèi)部系統(tǒng)。

3）優(yōu)化儀表PCB板布線布局，對(duì)敏感器件的連線使用高電壓鉗位電路或增加濾波網(wǎng)絡(luò)等。

ESD試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證產(chǎn)品的抗靜電干擾性能，若進(jìn)行試驗(yàn)后的電子產(chǎn)品功能不滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，則必須對(duì)缺陷點(diǎn)進(jìn)行分析，在結(jié)合成本分析的基礎(chǔ)上采取合適的途徑對(duì)其進(jìn)行整改。

5 結(jié)論

在汽車研發(fā)階段對(duì)其電磁干擾問題進(jìn)行研究，并進(jìn)行相關(guān)的電磁兼容試驗(yàn)十分重要而必要，ESD試驗(yàn)就是其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文在滿足試驗(yàn)要求的環(huán)境下，對(duì)汽車電子設(shè)備的靜電干擾模型進(jìn)行分析，研究相關(guān)的試驗(yàn)方法，并以神龍公司某車型的儀表組件為模型進(jìn)行抗靜電干擾性能的試驗(yàn)分析，并針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果提出進(jìn)一步提高儀表防靜電等級(jí)的方案。汽車品質(zhì)關(guān)系到生命和財(cái)產(chǎn)的安全，因此汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該更加重視電磁干擾問題，進(jìn)一步保證產(chǎn)品品質(zhì)，減少不必要的損失。