汽车零部件静电放电试验及静电防护技术研究

刘 薇

（中国电子科技集团公司第五十二研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

随着智能化汽车的快速发展，汽车产品已融合了多媒体设备、IT设备、电气设备、通信设备等功能特性于一身，汽车内部空间的电磁环境越来越复杂，汽车的电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）问题越来越严重。电磁兼容性问题不解决，汽车的安全性就没有保障。汽车的电磁兼容性关键在于零部件的电磁兼容特性，而零部件的电磁兼容特性包含射频特性、瞬态特性和静电放电（ESD）特性。从零部件的型式试验结果统计数据来看，零部件电磁兼容试验的不合格率约40%。其中，射频辐射发射和静电放电是最薄弱环节。所以，静电放电敏感性是汽车零部件电磁兼容特性的关键点之一。

1 静电放电原理及危害性

静电放电是指不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。静电产生的主要方式是摩擦、碰撞、剥离、流动、搅拌等。两种介电常数不同的物质摩擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上，两个带上电荷的物体便成为了静电源。就人体而言，皮肤与衣服之间磨擦、衣服与座椅之间摩擦、鞋子与地毯之间摩擦是形成静电积累的主要原因。静电电荷积累的能量高低主要取决于环境的相对湿度和接触材料的种类，如图1所示。

图1 与不同材料接触时，可能对操作人员充电静电电压的最大值Fig.1 Maximum electrostatic voltage that may be charged to the operator when in contact with different materials

从图1可以看出，低湿度情况下合成纤维的充电电压值可达15kV，在某些极端情况下，则会出现更高的充电电压。所以，人体在不同的环境中，接触不同的材料，会带上不同量级的静电电荷，此时如果直接用手触碰和操作电子设备，就会发生不同程度的静电放电。这种静电放电的方式分为以下三种：

第一，人手触碰电子设备塑料外壳、按键、旋钮、开关、显示屏、指示灯等非金属部位，通过这些部位边沿缝隙产生火花放电；

第二，人手触碰电子设备金属外壳，在接地回路形成放电电流；

第三，人手触碰电子设备连接器针脚，在I/O路径产生放电电流。

不管是设备内部电路感应火花放电形成的瞬态电磁场，还是放电电流直接进入内部电路或者耦合到内部电路，都有可能导致电子设备运行紊乱或器件损伤。还有一种特殊情况，就是人体对电子设备附近的其他物体发生静电放电时，该设备也有可能感应邻近物体放电形成的瞬态场而出现异常现象。静电放电对电子设备的危害不仅表现为这种可即时察觉的性能降低或损坏，有时还会对设备产生潜在的损伤。因为有些器件在受到静电电流多次冲击之后，虽然性能没有明显改变，但造成了内伤，在某些边界条件下或者恶劣环境中就有可能出现故障。对于汽车零部件来说，静电放电的这种危害不仅表现于具体零部件本身，还有可能影响汽车整体控制功能，甚至造成出现安全故障等严重后果。

2 静电放电试验方法及影响因素

任何一个汽车电子部件从开始制造到储运、安装、使用、维护直至最终废弃，在所有过程中都受到静电的威胁。但是，什么阶段、什么情况下会遭受静电破坏，是不确定和随机的。对于这种随机性的现象，要进行分析、研究，唯有采用模拟手段。静电放电试验就是用来模拟带电人体对电子设备产生放电并评估电子设备遭受静电放电时的抗扰性能。

静电放电试验有4种放电模型：①人体模型（Human Body Model，HBM）；②机器模型（Machine Model，MM）；③带电器件模型（Charged Device Model，CDM）；④电场感应模型（Field-Induced Model，FIM）。对于不同应用领域、不同测试标准，采用的放电模型和等效参数各不相同。以下是人体放电模型的3种应用场景：①微电子器件，阻容参数100pF/1.5kΩ，参考标准GJB 548B；②消费类电子产品，阻容参数150pF/330Ω，参考标准GB/T 17626.2；③汽车及零部件，阻容参数150pF，330pF/330Ω，2000Ω，参考标准ISO 10605。

静电放电试验的原理是通过高压源对放电网络（放电模型）中的电容进行充电至规定试验电压，然后利用放电电极（连接于放电网络）对被测样件施加放电。静电放电试验方法虽然简单，但是在所有电磁兼容试验项目中，静电放电试验的重复性和可比性最差，因为有很多因素会严重影响试验结果，归纳如下：

（1）试验仪器本身的性能

静电放电模拟器的关键部件之一是高压继电器，继电器的特性不好，会导致在其闭合和断开的瞬间所产生的瞬态场对被测样件造成干扰，引起试验结果误判。这种影响是完全隐性的，测试人员不易察觉，因为静电放电模拟器的技术指标是放电电压和放电电流，对于继电器的特性，测试标准没有给出相应的要求，所以测试人员只能通过其他测量手段进行主观评价，并通过横向比对来确认。

（2）环境湿度

环境湿度对静电放电强度的影响不容小觑，表1是在不同湿度下放电电流的变化情况。从表1可以看出，当湿度较高时，放电电流明显偏低，这样必然会达不到应有的严酷程度。

表1 不同湿度下放电电流的变化情况Table 1 Changes of discharge current under different humidity

（3）试验场地参考接地情况

静电放电试验场地的参考平面要确保具有良好的接地效果，包括静电模拟器放电回路电缆的接地、放电耦合板的接地、被测样件的接地等。如果连接不好，就会直接影响放电电流幅值，从而导致非预期的、不正常的试验现象和结果。

（4）操作不规范

静电放电试验在EMC所有常规试验项目中最容易受测试人员主观因素影响，如：试验前不进行放电电压幅值校准、放电点位选择不当、模拟器放电回路电缆离被测件太近、空气放电时放电枪接近放电点的速度偏慢、放电枪没有与放电点所处表面垂直、放电点累积的静电电荷未及时消除等。测试人员的这些不规范操作会严重影响试验的可重复性和准确性。

对于汽车零部件静电放电试验，除上述影响因素之外，还有一些特殊的条件会影响试验结果的判定。汽车零部件在实验室现场进行试验时，由于脱离了整车的安装和使用环境，需要使用一些等效负载和辅助设备来模拟实车上的电气特性和数据通讯，这些模拟装置和被测件一起放置于试验台架上，这样在整个试验过程中，如果模拟装置受到干扰出现异常，就会影响到被测件，从而导致试验中断或试验结果误判，图2所示的案例就说明了这一点。

图2 汽车空调控制器ESD试验布置Fig.2 ESD test layout of automobile airconditioning controller

图2是一款汽车空调控制器在实验室现场进行静电放电试验的布置图。被测件放置在金属耦合板上，线束仅包含电源线和LIN信号线，放置在长1.55m、宽4cm的金属耦合带上，辅助设备放置在旁边的绝缘材料上。在试验过程中，用静电枪对金属耦合带进行15kV静电放电时，被测件出现模式切换、死机现象，辅助设备也出现异常。为了排除辅助设备的影响，把连接被测件和辅助设备的LIN信号线用静电隔离模块进行隔离，再实施15kV静电放电，仍然出现失效，试验结果判为不合格。在随后的分析、整改中，发现辅助设备对静电放电非常敏感，虽然与被测件连接的LIN信号线有静电隔离措施，但由于LIN通讯是共地、单线传输，在地线上引入的干扰使辅助设备失控。之后在LIN信号线和地线上都加静电隔离模块，试验过程中不再出现异常现象。所以对于零部件的ESD（Electro-Static Discharge）试验，如果不能用实车上的实际负载，那么模拟负载既要符合实车上的接地特性、阻抗特性、数据传输特性，还要便于对被测件的功能参数进行监控；另外，还必须考虑如何采取有效措施确保模拟负载和辅助设备不会受到干扰、不会影响试验结果。

3 汽车零部件抗静电敏感性对策

静电放电试验可以准确地评估汽车零部件的抗静电干扰性能。对于那些抗静电干扰性能不好的产品，可以确定其敏感点位、敏感电压阈值，然后采取针对性的抑制措施，再进行试验以确认整改措施的有效性。有些产品可能需要反复地整改和验证，这样增加了成本、延误了产品开发周期。所以应在产品研发阶段同步进行静电防护设计。

电子产品的静电防护设计是其电磁兼容特性设计的主题之一，电磁兼容设计的常规措施，如电源滤波、屏蔽体搭接、接地连续性、PCB层叠结构、高速模块布线布局优化等，对降低产品静电放电敏感性都有改善作用。然而，采用瞬态抑制器件是最直接最有效的手段。TVS（Transient Voltage Suppressor）管就是运用最广泛和最适合的静电防护器件。

TVS是一种由半导体硅材料制成的特殊二极管，并联于电路中，平时工作于反向截止状态（呈现高阻）。当电路中出现大幅度的瞬态电压或脉冲电流时，TVS管在极短的时间内迅速转入反向导通状态，并将电路的电压箝位于一个预定值。该箝位电压低于后级电路中其他元件的最高耐压，因此可以有效地保护后级电路元件免受瞬态高能量的冲击。由于静电放电是一个极其快速的瞬态过程，放电电流的上升时间仅0.8ns，如图3所示，持续时间仅数十纳秒，而TVS管的响应时间在1ns以下，因此可以瞬间吸收静电放电产生的脉冲能量。另一方面，TVS管具有瞬态功率大、漏电流低、箝位电压易于控制、体积小等优点，所以是静电防护电路设计中最主要的瞬态抑制器件。

图3 放电电压为4kV的接触放电电流波形（150pF/330Ω放电网络）Fig.3 Contact discharge current waveform with a discharge voltage of 4kV（150pF/330Ωdischarge network）

汽车零部件的静电防护要求，相对于普通电子产品来说更为苛刻。从零部件的静电放电试验等级就可以体现出来，普通电子产品的最高试验等级是15kV，而汽车零部件的最高试验等级是25kV。另一方面，汽车零部件对于I/O接口的静电放电要求也严酷很多，普通电子产品只针对接插件外壳施加静电放电，而汽车零部件要对接口PIN脚施加静电放电。所以汽车零部件的静电防护设计必须充分考虑这些特殊要求，对关键接口电路和控制电路采用多级防护和加强防护措施。

图4是一种典型的CAN接口静电防护设计应用实例。图中，D1、D2为TVS管，分别连接在CAN_H与GND、CAN_L与GND之间，作为专用静电干扰抑制器件，放置在最靠近接口的位置；C1、C2以及L1主要用来抑制射频干扰信号，对静电放电引起的瞬态脉冲信号也有一定的抑制作用。这些防护器件的参数，要根据接口电路的工作电压和信号传输速率进行合理选择，图4中TVS管的反向截止电压要大于3.5V，结电容要小于100pF，共模电感L1的典型阻抗值为1000Ω/100MHz，滤波电容C1和C2的典型取值为100pF。对于汽车零部件的其他非屏蔽I/O接口，都可以参照图4选用适合的防护器件实现对静电干扰的有效控制。

图4 CAN接口静电防护电路示例Fig.4 Example of CAN interface electrostatic protection circuit

静电放电对零部件内部电路的影响，不仅来自外部接口电路导入的静电放电电流，还有一个复杂的途径，就是内部各种引线和PCB布线感应、耦合放电电流产生的瞬态电磁场。前面图3是放电网络为150pF/330Ω、放电电压为4kV的放电电流波形，图5是瞬态放电电流所产生的磁场波形（距离放电点0.4m处）。从图3和图5中可以看出，脉冲电流峰值约15A，脉冲磁场峰值约3A/m，脉冲波形的上升时间为ns级。所以在施加静电放电的瞬间，由高强度的放电电流产生高强度的瞬态磁场，在内部电路中的引线回路、PCB布线环路上感应出高频干扰信号，从而导致电路失控、功能异常。内部电路对静电放电的敏感程度，主要取决于控制芯片的静电敏感性，因此对控制芯片的静电防护至关重要。

图5 距离放电点0.4m处的辐射磁场Fig.5 Radiation magnetic field at 0.4m from the discharge point

图6所示是一种典型的车内信息系统显示屏主控芯片静电防护方案。该方案不包含电路布局布线设计、接地设计、屏蔽设计等，仅针对如何利用瞬态抑制器件进行ESD有效防护，主要有以下措施：

图6 一种车机主屏控制芯片的静电防护设计Fig.6 An electrostatic protection design for the main screen control chip of a car

（1）供电电源端口

供 电 管 脚VDD、VDDA、VDDIO_1、VDDIO_2连接到一起，在VDD&VSS、VDDA&VSSA、VDDIO_1&VSSIO_1、VDDIO_2&VSSIO_2之间分别加高频去耦陶瓷电容，容值100nF；另外，并联1个1 μF的钽电容或电解电容，用来拓宽滤波频率范围。

（2）复位信号端口

复位信号是芯片ESD敏感性的关键因素，可以采用加强防护措施。靠近复位按钮端口处加TVS管D1，然后再串接一个磁珠L1、并联一个电容C1，磁珠L1典型值为600Ω/100MHz，电容C1典型值为100nF。

（3）时钟信号端口

时钟信号端口OSCIN、OSCOUT分别对地加20pF陶瓷电容，作为晶振负载电容和滤波电容。另外，可以考虑在芯片的CLK_CCO时钟输出端口加RC滤波。

汽车零部件控制电路的常用芯片都可以参照图6选取适合的干扰抑制器件，以避免芯片在遭遇到静电放电引起的瞬态脉冲干扰时出现失控、复位、损坏现象。当然，不同的零部件、不同的控制电路，其静电防护能力可以有所不同，防护措施也可以有强有弱，具体要根据各自的供电方式、安装位置、壳体材料、接地方式、PCB版图、工作频率以及车厂的ESD技术指标来确定。另一方面，在选择控制芯片的时候，要关注芯片的ESD保护等级这个参数，要选择HBM（人体放电模型）2kV以上的IC，这样可以达到内外双重防护效果。但是，尽管采取了多种静电防护措施，在实际的ESD试验中，仍有很多电子部件会失效，如：组合仪表、空调控制器、全景泊车系统、行车记录仪、显示屏、E-BOX、BCM等，会出现花屏、黑屏、闪屏、死机、复位、通讯中断、乱码等故障。所以，静电放电问题是汽车零部件质量控制中的疑难杂症，如何有效地消除和抑制静电放电带来的隐患，还需要不断地探索和研究。

4 结语

静电放电问题在各个领域备受关注。解决汽车零部件静电放电问题的主要途径是：充分了解和充分重视静电放电带来的各种危害、采取各种有效的静电防护措施、对静电防护效果进行有效验证。本文结合汽车零部件的具体特点，对静电放电的原理、静电放电的瞬态特性、静电放电试验的影响因素以及静电放电防护设计进行了深入解析，可以给产品研发、测试和质量管理人员提供参考。