浅谈静电放电VCP测试对汽车电子模块的影响

　　：文章介绍了X车型娱乐子系统显示屏静电闪屏问题分析及解决措施。同时引发VCP(Vertical Coupling Plane)方法的讨论，探讨

　　随着智能化汽车的高度普及，电子控制模块在汽车上普遍的应用，电子模块间的相互串扰概率大幅度的提升，使得有限的车内空间里电磁环境变得更恶劣。电磁兼容性的好坏影响到车辆功能安全性及用户使用感受度，因此，电磁兼容设计越来越引起人们的重视。虽然各种电磁兼容测试标准在各大整车厂商严格执行，但经过测试的整车可能因为测试条件或者测试方法等差异，仍旧有可能出现电磁兼容性问题。在众多电磁干扰及抗扰现象中，不受控制的静电放电(ESD)干扰会造成整车某部分电子功能暂时性失效或者性能变差，对产品质量造成严重影响，甚至会引起非常严重的售后抱怨，因此，静电放电在整车电磁兼容性中是一定要考虑和预防的。

　　ESD现象通常发生在电子模块自身暴露在外且易被触碰的表面，或者发生在附近的导电物体上，通过空间耦合到电子模块。测试发现，ESD产生的电磁干扰可以引起距离放电处1m外或者更远处的电子模块运行紊乱[1]。

　　本文通过X车型整车ESD测试现象做多元化的分析，提出汽车电子控制模块的ESD测试方法建议，使产品抗ESD性能更为可靠。

　　X车型在整车通电模式进行ESD测试时，当静电释放点在娱乐子系统显示屏上时，显示屏功能完全正常;当空气静电释放点在排挡镀铬球头上时，静电水平±6kV的情况下显示屏上会出现瞬间闪屏或者黑线现象，出现频次较高，测试结果判定失效。经过多辆整车验证，失效情况一致，排除车辆个例问题。该车型模块布置如图1所示，排挡总成右侧上下方正好布置了娱乐子系统控制模块和显示屏模块，控制模块和显示屏之间通过低电压差分信号LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口进行视频信号传送。

　　针对显示屏静电失效问题能分两步分析，一是娱乐子系统自身抗静电干扰能力;二是排挡总成间接放电对娱乐子系统显示屏的影响。

　　首先，采用国际标准ISO10605 2008[2]方法对娱乐子系统进行直接放电测试，测试结果正常，表1给出了娱乐子系统受到静电干扰时的测试结果。对娱乐子系统控制模块和显示屏模块分析，发现两个模块在设计时都有考虑静电防护，采用不敏感器件，同时在PCB板上加滤波器以减小瞬态能量的耦合，比如增加电容、磁珠、TVS[3]。

　　其次，把排挡总成放在娱乐子系统附近约10cm处(模拟VCP放电)，对着镀铬球头空气放电±6kV，如图2所示，可以明显看见排挡间隙处产生强烈的火花，显示屏会出现瞬间闪屏或者黑线异常，随着空气放电等级加大，火花更明显，显示屏非正常现象也愈加明显;把排挡总成镀铬部分接地，对着球头空气放电，测试结果正常;采用IEC61000-4-2[4]标准中的ESD抗扰度测试试验平台，用垂直耦合板VCP模拟受试设备娱乐子系统附近的金属物品，可以再现失效。

　　由此初步判定，X车型整车ESD测试失效的最终的原因是排挡总成的孤立设计，当静电间接放电在排挡总成上时，由于没有泄放路径把电荷积累快速释放到大地，高积累电荷产生快速瞬态脉冲能量，进而影响附近敏感电子系统。

　　通过分析X车型排挡总成发现，换挡操纵机构总成由手柄操作系统(knob system)、排挡杆和挡位限位组成，手柄操作系统为操作者提供操作的介质，手柄机构小巧、装配零件多，主要由球头(knob cap)和环套(ring)及按钮开关组成。球头饰板和环套(如图3)，采用金属镀铬工艺，饰板与环套最小间隙应不小于10mm，若饰板与环套间隙不足，则不易装配[5]。排挡总成孤立不与车身进行接地连接。球头饰板和环套都是金属镀铬表面，中间插入部分比较尖，且有小间隙;环套中间有一金属杆，铬环与杆之间形成间隙。在球头上释放静电，球头饰板尖锐部分和环套产生二次电弧，环套与排挡杆再次产生尖锐间隙放电，经过尖端、间隙放电导致产生宽带电磁场且频率高达数个GHz，近区磁场强度可达几十安培每米，电场可达数千伏每米[7-9]，可以从缝隙进入模块内部，导致模块失效。

　　1)接地，就是直接将静电通过一条线的连接泄放到大地，这是防静电措施中最直接最有效的方法;

　　1)把排挡球头及环套接地，使得静电能量能快速释放到车身底盘(地)，但是由于排挡总成是个活动零件，接地线)更改PCB，进一步提升娱乐子系统的抗静电干扰能力，更改周期长，可控性不高，风险高;

　　3)改球头金属镀铬工艺为非金属工艺，从源头上切断高能量的产生，实现较易。

　　目前多数整车厂商对汽车零部件和子系统ESD验证方法参照ISO10605-2008要求，大致上可以分为上电模式和非上电模式测试，其中上电模式又分为直接ESD放电抗扰测试和间接ESD放电抗扰测试，即

　　IEC61000-4-2标准中有专门的VCP测试要求，VCP是考核垂直耦合方式间接放电产生的瞬态电磁场对产品本身的影响。IEC61000-4-2规定静电发生器输出电流的典型波形(图4)，规定

　　应与被测设备保持0.1m的距离，对垂直耦合板的一个竖直边缘的中心实施静电放电，每个测试点测量10次，记录电场的峰值，然后取平均值。测量磁场时，示波器存储的是磁场探头的感应电压 (Uind)波形，经过计算得到相应的磁场强度(H)波形[6]。感应电压的表达式为：

　　：静电放电是一个上升时间约1ns，维持的时间仅几十个ns，放电电流可达近百安培的瞬态过程。电磁场峰值均出现在了最初的10ns内;随着离放电点距离的增加，辐射电磁场逐渐减弱;同一场点处随着放电电压的升高，电磁场最大峰值也上升。VCP产生的宽带电磁场频率高达数个GHz，易影响附近的敏感电子设备。

　　随着人们视觉美观追求的提高，在汽车控制面板上镀铬工艺的应用慢慢的变多(镀铬排挡球头、控制面板镀铬金属装饰条等)，这些镀铬表面处理在静电释放时容易间接放电产生瞬态辐射电磁场，从而对安装在周边的子系统产生一定的影响。从测试经验上发现，在未来的汽车电子模块ESD测试不能忽略VCP这样的解决方法，特别是布置在汽车控制面板附近的娱乐子系统控制模块、导航模块及Telematics模块等，在ESD测试方法选择时要加以考虑。

　　[5]陈子晃,任颖睦,金吉刚,等. 换挡操作机构的设计[C].杭州：吉利汽车研究所,2011.

　　若干特性的试验研究[J]机械工程学院学报2009,21(1):34-37.[7]李庆容. 静电放电抗度测试平台

　　本文来源于《电子科技类产品世界》2017年第8期第37页，欢迎您写论文时引用，并标注明确出处。