車載通信終端靜電防護與設計

常 君，任 紅，肖劍閣

（東軟集團（大連）有限公司，遼寧 大連 116085）

車載通信終端 （Telematics BOX，簡稱T-BOX）是車載電子設備中典型的高可靠性產品，承擔著車內網與車外網之間的數據通信、車身數據采集、遠程控制等重要功能，可廣泛應用于乘用車、新能源汽車及商用車等車型。尤其隨著智能網聯的普及，T-BOX實現的功能越來越多，應用也越來越廣泛。T-BOX屬于前裝產品，在研發設計、生產、維修等環節中，要能夠承受一定等級的靜電放電的考驗，需具備一定的靜電防護能力。靜電對其造成的破壞主要危害有：USB口無通信、eCall MIC無聲音輸入、按鍵檢測失效等，這些故障現象會直接影響到客戶功能使用，因此需要針對T-BOX產品增加相應的靜電防護措施。本文主要針對T-BOX產品在設計和生產環節中的靜電防護進行詳細分析和介紹，并給出相關建議。

1 車載通信終端介紹

T-BOX產品主要采用車規級的處理芯片，利用新通信技術來實現現代化智能網聯的功能，完全滿足基于“汽車級”對可靠性、工作溫度、抗干擾等方面的苛刻要求，其產品形態多數以黑盒子形式存在，對外接口主要有線束主端子接口（電源、CAN以及MIC、SPK等）、天線接口 （GNSS+LTE主、副天線）、USB接口、以太網接口等。如圖1所示。

圖1 T-BOX系統框圖

T-BOX在各種車輛上實際安裝位置也各不相同，例如有安裝在扶手箱內部偏上，有安裝在副駕駛座椅下面，還有安裝在后備廂夾空中間等，安裝的位置較為隱蔽；另外殼體、支架材料需求也不統一，大致可以分為如下：①支架：金屬支架（搭鐵），樹脂支架；②殼體：全樹脂殼體，半樹脂殼體（上蓋是樹脂，下蓋是金屬）。

在設備制造/維護過程中，由于T-BOX產品連接器引腳和設備外殼表面容易碰觸到，易受靜電放電影響，靜電會以直接和間接形式對其放電，因此對于T-BOX產品的靜電防護，主要從硬件角度進行考慮。

2 系統抗靜電設計

設計是主要環節。針對T-BOX靜電防護設計，主要從原理圖設計、PCB設計和結構設計等方面考慮，采用綜合處理方法。

2.1 設計環節

2.1.1 明確參照標準和ESD劃分等級以及試驗方法

在T-BOX設計前期需要明確靜電實驗所參照的標準、ESD劃分等級、試驗方法、監控方式等。目前國內車企引用的標準主要來源于《ISO 10605-2008道路車輛-靜電放電產生的電騷擾試驗方法》和《IEC61000-4-2：2008 靜電放電抗擾度實驗》。結合T-BOX的安裝位置，靜電放電主要發生在生產和維修環節，實車很難觸碰到，因此對T-BOX定位為防靜電等級3。試驗方法、放電方式主要參照引用的標準；監控方式由生產企業自定計劃，主要包括放電次數、放電位置、實驗過程中需要監控的功能以及監控方式等，并與車企達成一致。針對T-BOX產品ESD實驗，帶電工作模式下靜電實驗，功能監控主要是通過CAN口輸出log數據方式監控；對于非帶電模式下靜電實驗，主要是在每次靜電實驗后通電驗證產品功能。設計前期通過以上對靜電實驗方法及過程的了解，對靜電防護器件選型很有幫助。

2.1.2 原理圖設計

在原理圖設計時，需要在T-BOX所有與外界交互的接口處預留靜電防護器件，其主要目的是吸收接口處產生的靜電，防止靜電進入PCB，對板子內部的電子元件造成潛在的損壞。所選防靜電器件參數（以TVS管為例）主要從以下幾方面因素考慮。

1）低寄生電容 關于TVS的保護器件，實際上是有寄生電容的，對于高速信號，寄生電容過大，則信號就會出現變形，如果是速度很慢或者直流的信號，則無需關注此參數。電容的容值與頻率關系對照如圖2所示。

圖2 對應關系

2）Vrwm反向關斷電壓 要求大于或等于被保護電路的額定工作電壓。例如，以USB接口為例，對USB2.0而言，Vbus供電在4.75～5.25V之間，所以需要選取的TVS二極管的工作電壓需要≥5.25V。正常工作中D+和D-負責傳輸差分信號，幅值范圍在0～3.6V之間，所以選擇工作電壓應≥3.6V，如果選擇的二極管工作電壓小于3.6V，就容易發生電流泄露的情況。

3）極性選擇 在實際設計中需要確定TVS二極管的極性配置。以USB2.0為例，因為Vbus和D+、D-都是大于等于0的正向信號，所以單向和雙向的二極管都是可以的。選擇單向二極管有助于提供更好的負壓保護，而選擇雙向二極管，則可以提供更靈活的設計空間，因為pin腳可以自定義接地、接I/O口。同理適用于D+與D-。

4）Vc鉗位電壓 當瞬態的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現的最大峰值電壓為Vc。Vc、IPP反映了TVS的突波抑制能力。Vc是二極管在截止狀態提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態時通過TVS的電壓，它不能大于被保護回路的可承受極限電壓，否則元件面臨被損傷的危險。

2.1.3 PCB設計

PCB元件布局及布線對于抑制ESD至關重要，解決辦法如下。

1）靜電防護器件盡可能靠近輸入端子或連接器。

2）靜電防護器件和受保護線路之間的路徑長度應最小化。

3）避免受保護導線與無保護布線平行運行，盡量減少平行信號路徑。

4）保持一定間距，對于可能出現ESD耦合或幅射的2根線或2組線要保持足夠的距離。

5）要保證靜電首先經過防護器件，在對地泄放靜電回路路徑盡可能短，并且泄放回路阻抗要足夠低。

6）避免使用公共地點作為瞬態泄放路徑。

7）盡可能使用地平面。對于多層PCB，使用地通孔，地孔越多越好，并使每層地緊密連合一起，良好的地線層處處等電位，能使靜電放電以最短的路徑進入地線而消失。建立良好的地線層最好的方法是采用多層板，一層專門用作地線層；如果只能用雙面板，應當盡量從正面走線，反面用作地線層，不得已才從反面過線。

8）在可能被ESD直接擊中的區域，每一個信號線附近都要布一條地線。

9）對易受ESD影響的電路，應該放在靠近電路中心的區域，這樣其他電路可以為它們提供一定的屏蔽作用。

10）在整個外圍四周放上環形地通路。

11）要求在PCB元件布局時，器件距離四周板邊緣要≥5mm，重要的IC器件 （MCU等）、敏感器件 （晶振等）不要放置板子邊緣，并且在此邊緣區域內不要布信號線，而是鋪滿地層，多放置一些地孔。

2.1.4 結構設計

在設計結構時，插接件及殼體結合等部位不可避免地會留下縫隙，因此內部電路板或元件需盡可能與縫隙保持一定的空間距離。設計的殼體上下邊緣縫隙要足夠小，將平行結合改為錯齒結合 （圖3），在一定程度上能減少空氣放電時靜電竄擾到殼體內部；PCB上高體積元器件頂部距離殼體要預留一定空間，防止被靜電擊壞；可以在端子接口縫隙處放置導電泡棉，增加靜電泄放路徑。對于敏感區域上方，可以在殼體內部內嵌金屬屏蔽材料，這樣做的目的是防止空氣靜電進入到敏感區域中。

圖3 結構設計

以上這些措施是在設計源頭采取的對抗靜電的方法，具體實施中需要靈活運用。

2.2 生產環節

產品在工廠生產作業時也必須進行相應嚴格的靜電預防管理。為了避免生產線上生產出不良產品，針對工廠生產過程中的靜電預防，可以采用如下措施。

1）作業區環境及設備要求：產品在加工、組裝、檢測、包裝與拆包裝等操作都必須在防靜電工作區內進行；對搬運、保管的設備，包括使用防靜電周轉、運輸盤、盒、箱及其它容器、小車等都要有防靜電措施；對環境空間空氣、濕度嚴格監控。

2）人員要求：對生產線上工作人員，包括采購、保管、儲運、加工、檢測、維修、使用等，上崗前均要進行專門的培訓，并配備靜電防護設施，操作人員必須在去除人體帶電后方可對產品進行操作，沒有進行培訓的人員不允許對產品操作。

3 結論

靜電十分容易產生，但也能有效地控制。靜電放電對設備的損害，在初期很難被發現，但影響后果是很大的，受靜電損害后的產品不慎流入市場之后，使用過程中會隨著時間的推移，逐漸發展可能成為永久性失效，而導致產品品質下降，壽命縮短，并直接損害到企業的聲譽和經濟效益。針對靜電防護與設計，本文結合T-BOX實際產品，詳細討論了如何有效控制靜電的一些措施，可以作為電子行業產品參考。