汽車空調觸摸開關靜電故障分析及整改方案

劉萬波 李東 張海燕 周仁曉 徐偉航

浙江萬超電器有限公司 浙江省溫州市 325006

隨著汽車行業這幾年的迅猛發展，國內外新產品新技術的沖擊涌入，傳統按鍵式開關正在被逐步取代，觸摸式開關由于其壽命長、外觀新穎、深受年輕人喜愛等優點逐漸被國內各大車廠所采用。而觸摸開關較之按鍵式開關而言，內部必須集成MCU高精度電路設計及觸摸采樣電路設計。為了使產品更為可靠的運行，產品本身需要經過嚴苛的ESD干擾實驗，本次產品的ESD干擾失效的問題便接踵而至。

ESD全 稱Electro-Static discharge，中文名稱靜電釋放。靜電是自然界客觀存在的現象，本質原因是物體自身與大地絕緣，然后自身的電子由于摩擦、接觸、感應等原因被剝離，與外界形成的一個壓差。這個壓差可能有幾千或者上萬伏。

靜電放電則是兩個攜帶“靜電”的物體接觸或接近瞬間電能迅速釋放并達到電位平衡的物理現象。短時高能的放電對電路系統而言可能會造成不可逆的損害。特別是電路里的核心元器件_單片機。單片機失效則意味著這套電路系統完全損壞。這肯定是不合產品質量需求的。

1 故障描述

空調觸摸開關在測試時，他的靜電釋放等級和相應功能需求等級如下表1所示，靜電釋放點位如下圖1所示（圖1中圓點為ESD靜電測試點，每點進行3次）。

圖1 ESD靜電測試點

功能需求等級說明：

①I級：產品在施加干擾期間和干擾去除之后，功能執行均正常；

②II級：產品在施加干擾期間，主要功能執行正常，可以允許有多個功能存在一定偏差；干擾去除后產品功能自動恢復正常；

③III級：產品在施加干擾期間，可以不執行部分功能甚至失效；干擾去除后產品功能自動恢復正常或經過簡單操作后恢復正常。

實驗結果為：

①±4KV，±6KV，±8KV接觸放電滿足相應功能需求等級要求；

②±6KV，±8KV，±15KV空 氣 放 電滿足相應功能需求等級要求；

③±25KV空氣放電一次后字符LED不正常顯示，靜電移除并重啟后LED正常顯示，不過觸摸功能完全失效。打滿三次靜電，發現字符LED也不再工作，完全失效。

所以樣品初次設計方案靜電實驗判定為不合格。需要進一步分析失效原因并設計整改。

2 故障分析

對故障件進行拆解，取出里面線路板，按照原理圖進行逐項排查。定位線路板功能失效具體硬件及原因。

①電源電路：

一般情況下，靜電對電源電路（如下圖2所示）影響比較大，容易對其輸入或者輸出造成擊穿，從而導致整體功能失效。

圖2 24V電源輸入設計電路

I：過壓電路計算：V耐壓=VD2穩壓+VFZT665耐壓=24V+150V=174V

II：靜電計算：靜電槍等效為330pF/25KV的電容放電模型，電源電路等效為2個100nf電容充電模型。

根據充放電公式：Q=C1*V1=（C1+C2+C3）*V2（V1為ESD電壓，V2為放電后電壓）

V2=C1*V1/（C1+C2+C3）≈41V

根據計算結果可知，放電平衡后的電壓遠比電路設計的174V可靠耐壓要小。所以靜電不會對后端穩壓電路造成影響。因此也更不會對MCU造成損壞。

②LED顯示電路

本產品LED數量眾多，都由MCU直驅的話會比較占用MCU管腳資源。出于成本考慮，本產品采用了MCU+LED驅動芯片的設計電路，即MCU和LED驅動芯片采用串行通訊，LED驅動芯片解碼通訊信號，然后根據通訊信號驅動LED。模塊化的設計實現降成本的同時，也給ESD問題分析提供了便利。

我們這里采用反證法排除ESD通過LED損壞電路的原因。手工準備了一只去除U1，U2芯片的產品總成重新進行試驗，這樣掐斷了靜電通過U1，U2損壞MCU的可能。

產品初始工作狀態：LED不工作，測試臺照常接受MCU發出的觸摸按鍵信號。

產品ESD實驗后狀態：LED不工作，測試臺不能接受MCU發出的觸摸按鍵信號。

焊接回U1，U2芯片后手工實驗樣件的LED依舊不工作。

結論：排除了ESD通過LED顯示電路損壞了MCU的可能性。

圖3 5V電源輸出電路

③觸摸電路

在查閱相關資料中我們發現，靜電的釋放路徑遵循阻抗性最小原則，所以ESD干擾中的電子能量束會優先選擇導電路徑，再選擇擊穿空氣及絕緣體作為導電路徑。這時我們結合產品爆炸圖（如圖4所示）、實驗現象一起分析，去尋找阻抗最小的ESD釋放路徑并驗證。

在實驗過程中，我們發現±25KV ESD空氣放電時，肉眼可見的電弧被鍍鉻環吸收，由于鍍鉻環是金屬材質且環繞產品一周，因此它是最有可能吸收靜電，并釋放到下一個節點。觀察可看到，產品縫隙剛好有一條FPC的觸摸信號引線（導電），通過接插件直連線路板的MCU。因此我們做出了ESD釋放路徑的假設（如圖5所示）。

圖5 靜電釋放路徑假設圖

ESD槍→鍍鉻環→縫隙→FPC→FPC連接器→采樣電阻→MCU→回地

從圖片中不難看出，ESD干擾作用時，電子束只擊穿了鍍鉻環和FPC縫隙間的空氣，其余路徑都是導電通道。因此ESD只釋放了極少部分的能量，到達MCU時依舊有很大的量級，從而造成了MCU的損壞。

綜上所述論證，這個假設正確的可能性極大。接下來我們用逐步切斷法實驗去進一步驗證這個假設（如下表2所示）。

表2 切斷法實驗驗證ESD路徑

結論：ESD干擾通過鍍鉻環進入縫隙，然后沿FPC及其連接電路最后損壞了MCU。

3 整改方案

ESD干擾中的瞬時電子能量束某些特性就像“洪水”，他的治理方案也和“洪水”一樣：“疏”和“堵”兩種方案。

3.1 堵

“堵”有兩個設計整改方案，整改示意圖如下圖6所示。

圖6 靜電釋放路徑假設圖

①修模，將外殼附近的卡扣堵住，以減小縫隙；

②更改FPC和線路板，將FPC觸摸信號線引線位置遠離卡扣縫隙，線路板上的FPC連接器位置及線路也做相應移動。

“堵”這兩種整改方案都能延長ESD干擾的空氣擊穿路徑，讓更多的能量釋放到空氣中，從而達到保護末端電路的目的。

不過外殼卡扣堵住后，零件無法卡接連接，結構上不成立。只能將卡扣位置遠離，但關連零件很多，更改后不能保證完全解決ESD失效。且無論是修模還是更改FPC，模具或線路板設計更改較大，評估整改周期要三十天，不能滿足迫在眉睫的產品批量生產時間節點要求。所以我們只能另尋它法。

3.2 疏

實際EMC干擾整改案例中，最有效的“疏”方案是給ESD干擾點接數字地或模擬地。

從靜電路徑出發，不難看出鍍鉻環是結構中很關鍵的一環，它是個導體且環繞產品表面一周，吸收產品表面的ESD干擾，使得ESD干擾對FPC觸摸信號線引線的最遠距離也不超過二分之一的產品寬度。即：

L（ESD→FPC）≤1/2L（產品寬度）

這個設計相當于將ESD實驗等效成了在距FPC（0～1/2L（產品寬度））范圍內進行ESD實驗。大大降低了產品的ESD抗干擾能力。不過同時這設計也給解決本次ESD干擾問題帶來了便利。我們可以設計一根銅線，一頭連接鍍鉻環，另一頭連接線路板的模擬地（連接示意圖如下圖7所示）。

圖7 鍍鉻環接地示意圖

這樣ESD能量便在鍍鉻環這一節點直接“疏”地，繞過了后續到MCU上的路徑，因此也就避免了對電路的直接沖擊（整改后ESD路徑示意圖如下圖8所示）。

圖8 整改后外殼ESD路徑示意圖

ESD槍→鍍鉻環→縫隙→FPC→FPC連接器→采樣電阻→MCU→回地

經過手工樣件整改，并在±25KV ESD空氣放電實驗后，LED顯示正常，觸摸功能不再失效，功能需求滿足I級，高于III級功能需求，所以實驗判定為通過。

4 結語

經內部ESD實驗驗證，設計變更后的產品實驗結果滿足接觸放電和空氣放電對應等級下的功能需求。變更點為增加一個銅片和一根導線，線路板無變化。銅片和銅線都是現有產品的零件，無需重新開模修模，成本變化極小，工藝實現簡單。經客戶同意后做出以上設計變更。

通過本次案例整改，我們對ESD干擾及有了更深一層次的理解。未來的新產品我們就會在產品設計前期，從產品整體外形出發，靈活應用“堵”和“疏”兩種手段，為ESD干擾問題做出足夠的安全冗余設計。并綜合工藝和成本，做出最優選擇，滿足產品性能。