ESD試驗技術在組合儀表中的研究與應用

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移的一種電磁干擾現象。它是一種常見的近場危害源，其放電過程可形成高電壓、強磁場、瞬時大電流，且放電過程中易產生強烈的電磁輻射而形成電磁脈沖，易導致敏感電子設備或控件受到持續的干擾乃至破壞，使其性能下降或直接被損壞。

當代汽車的電子化程度越來越高，若汽車上電子電氣設備不能滿足相應的標準且具有一定的抗電磁干擾能力，就可能導致設備性能降低或引發安全事故。近些年，汽車召回事件屢見不鮮，其中由于靜電問題所引發的召回事件時有發生。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生疑慮、給其帶來不便，更給汽車生產商造成嚴重經濟損失。

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

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產生的靜電大約為3.5萬伏，翻閱塑料說明書時大約7千伏。人手握車門把手、觸摸汽車儀表等也會產生靜電。

目前國內外對靜電的研究主要集中在靜電產生原理、靜電危害及防護技術、靜電應用技術、靜電放電模型以及靜電放電試驗技術等方面。靜電放電具有隱蔽性、潛在性、累積性、隨機性和復雜性等特點。它有兩種表現形式：一是通過導體直接耦合，二是通過空間輻射耦合。

2.1 靜電危害

靜電可在多個領域造成嚴重危害，特別是靜電引起的火災與爆炸事故帶來的后果不堪設想。敏感電子元器件半導體組件 （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。靜電對電子產品的危害主要表現在以下幾個方面。

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產生的熱效應，易使元器件或系統受到潛在的損傷或誤判斷。

3）靜電放電產生的電磁場可達幾百伏/米的幅度、十兆到千兆的寬頻譜，對電子產品造成強電磁干擾而損壞。

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試驗是在干燥的環境下，通過模擬帶靜電的人體在裝配、存放、搬運、維護或對車輛進行操作時，對汽車電子電氣零部件的靜電放電過程，以此來驗證零部件對靜電放電的抗干擾能力。汽車電子ESD試驗是基于人體放電模型即ESD人體模型來進行的，ESD人體模型圖如圖1所示，該模型實際為一個等效阻容網絡。

圖1 ESD人體模型

各個汽車廠商對ESD人體模型采用的標準不盡相同，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 試驗標準

ESD試驗需要根據試驗標準來進行，目前靜電放電試驗參考的國際標準為：IEC/EN 61000-4-2、ISO 10605。我國國家標準為：GB/T 17626.2《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》，GB/T 19951《道路車輛靜電放電產生的電騷擾試驗方法》。各大汽車生產商一般都有各自的標準規范，且要求比國際標準、國家標準更為嚴格，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

ESD試驗要求在組件層面、系統層面、整車層面3個方面進行。汽車儀表組件層面的測試在試驗室中進行，靜電發生器為測試系統的關鍵構成設備。本試驗按照B21 7110標準要求，采用瑞士EM TEST公司的ESD30N對神龍公司某車型儀表進行試驗。

3.1 試驗臺架

對被測設備或器件（EUT）進行ESD試驗有兩種工作模式，一種是EUT不通電，另一種是EUT通電。在進行試驗之前，需按要求搭建試驗臺架。圖2為試驗臺架的示意圖，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EUT進行直接放電。通電模式下，除進行直接放電外，還需通過耦合平面對EUT進行間接放電，如圖2所示。

圖2 試驗臺架示意圖

3.2 試驗點的選取

人體產生的靜電放電是汽車電子的一個主要干擾源。因此，測試點的選取就需要將這些人體直接或間接可能接觸的點都考慮進去。測試點選取按照如下規則。

傳導部分：如緊固件螺母、金屬支撐架、PIN腳及金屬外殼等。

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

對神龍公司某車型儀表的放電試驗點選取如圖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，還需對儀表的連接器外殼和線束電纜進行空氣放電。

圖3 某車型儀表ESD試驗點

3.3 試驗方法

儀表的ESD試驗需在儀表未通電和通電兩種模式下進行，其試驗流程如圖4所示。在未通電模式下，按要求施加完脈沖后對儀表的功能狀態進行評估。而在通電模式下，則在施加脈沖過程中和之后都需對儀表的功能狀態進行評估。

圖4 ESD試驗流程

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

未通電模式

未通電狀態下，ESD30N使用150pF、330Ω的放電網絡模塊，按照以下步驟進行試驗。

1）搭建測試臺架。

2）檢查測試環境。

3）使用ESD30N對儀表的傳導部分的點釋放一組+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證儀表功能，并記錄試驗數據。

5）使用ESD30N對儀表的絕緣部分的點釋放一組+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4）。

7）使用ESD30N對儀表的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4）。

通電模式

通電狀態下，使用330pF、2000Ω的放電網絡模塊，試驗按照以下步驟進行。

1）搭建測試臺架。

2）檢查測試環境。

3）運行儀表，時間為10min。

4）使用ESD30N對儀表的傳導部分的點釋放一組+2kV接觸放電脈沖，接著是一組-2kV脈沖。

5）在試驗進行過程中和之后驗證儀表功能，并記錄試驗數據。

6）分別以±4kV、±8kV、±15kV重復4）、5）。

7）使用ESD30N對儀表的絕緣部分的點（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5）。

9）分別以±8kV、±15kV、±25kV重復7）、8）。

10）使用ESD30N對水平耦合板（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5）。

12）分別以±4kV、±8kV、±15kV重復10）、11）。

13）重復5）。

進行接觸放電時，使用ESD30N的尖頭直接接觸測試點進行脈沖釋放；進行空氣放電時，使用ESD30N的圓頭以緩慢的速度靠近測試點進行脈沖釋放；進行間接放電時，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個方向對水平耦合板進行接觸脈沖釋放。

3.4 試驗評估

3.4.1 評估規則

測試結果的評估一般按照EUT功能受影響的程度做判定，按照測試流程，需不斷對儀表的功能狀態進行評估，按照B21 7110標準的定義，評估等級分為A、B、C、D、E五級，具體評估規則如下所述。

A：EUT的功能在試驗期間和之后均符合設計要求。

B：某些功能在試驗期間出現偏差，試驗結束后與A相符。

C：某些功能在試驗期間出現異常，試驗結束后可自動恢復。

D：某些功能在試驗期間出現異常，操作人員干預或系統復位后，功能可以恢復。

E：EUT損壞。

評估方法

通電模式下，在試驗過程中，對儀表進行功能評估主要靠觀察的方法。而按照流程步驟，兩種工作模式下，每組試驗之后都需對儀表進行全面的功能評估。評估使用德國Vector公司的CANalyzer軟件，并針對該車型儀表在軟件中編寫個性化的圖形化試驗程序。按照制定的試驗計劃，逐步驗證儀表的各項功能，圖5為針對該車型儀表的圖形化試驗程序界面。

圖5 圖形化試驗程序界面

評估結果分析

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

但在通電模式的試驗過程中，對于傳導部分21-28這8個試驗點施加+8kV、-8kV嚴酷等級的兩組接觸放電脈沖時，儀表的駕駛員和副駕駛員安全帶報警燈出現了閃亮情況，脈沖結束后自動恢復正常。對這8個點施加+15kV、-15kV的兩組放電脈沖時，整個儀表盤熄滅，脈沖結束后2s左右，儀表盤自動點亮，恢復正常。這兩組電壓等級的評估結果為C。步驟中的其它試驗組，未發現儀表發生異常，評估結果為A。

在滿足要求的試驗室環境下（溫度21℃、濕度50%），該車型儀表的ESD試驗結果如表1所示，可見傳導部分比絕緣部分更容易受干擾，從結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 試驗結果

4 靜電防護方案

通過分析，在通電模式的±8kV、±15kV等級下進行接觸放電試驗時，由于儀表緊固件螺母（試驗點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一步提高儀表的防靜電性能等級。

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

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，保證其不干擾內部系統。

3）優化儀表PCB板布線布局，對敏感器件的連線使用高電壓鉗位電路或增加濾波網絡等。

ESD試驗的主要目的是驗證產品的抗靜電干擾性能，若進行試驗后的電子產品功能不滿足技術標準要求，則必須對缺陷點進行分析，在結合成本分析的基礎上采取合適的途徑對其進行整改。

5 結論

在汽車研發階段對其電磁干擾問題進行研究，并進行相關的電磁兼容試驗十分重要而必要，ESD試驗就是其中的一項重要內容。本文在滿足試驗要求的環境下，對汽車電子設備的靜電干擾模型進行分析，研究相關的試驗方法，并以神龍公司某車型的儀表組件為模型進行抗靜電干擾性能的試驗分析，并針對試驗結果提出進一步提高儀表防靜電等級的方案。汽車品質關系到生命和財產的安全，因此汽車生產企業應該更加重視電磁干擾問題，進一步保證產品品質，減少不必要的損失。