汽车空调面板LCD花屏故障分析及优化方案

张立新，黄庆达，肖 丹，杨通亮，郭庆铁

（温州长江汽车电子有限公司，浙江 温州 325000）

随着汽车电子技术的快速发展，人机交互功能越来越成为车载智能控制系统不可或缺的部分。然而由于汽车的产品属性决定了汽车电子零件具有严苛的试验条件和复杂的实际使用环境，因此对更加集成化和模块化的车载电子产品的安全性、可靠性提出了更高的挑战。同时，由于车载人机交互系统需要面向乘员的频繁操作，有着高电位、强电场、瞬时大电流特点的人体静电放电 （Electro-Static discharge，ESD）会对半导体芯片造成各种干扰甚至是不可逆的损伤［1］，是汽车电子产品设计中不可忽视的重要问题。本文对ESD问题的危害以及防护原则进行了探讨。

1 ESD的危害

ESD的实质就是电荷转移，由具有不同静电电位的物体直接接触或者相互靠近引起的［2］。

ESD的放电时间极短、且瞬时电流极大，因而对车载电子产品的电路系统形成巨大的破坏。ESD危害电子设备途径包括：放电辐射、静电感应、电磁感应和传导耦合等［3］。

2 ESD的防护设计

从静电感应理论可知，最可能发生静电放电的部位即为暴露在外部的导电部件或者是相邻导电部件［4］。

对于电子产品设备的ESD防护，可以从3个方面考虑［1］：①控制静电的起电量和电荷积聚，防止静电的形成，即抑制ESD的产生；②使用静电感度低的材料，降低电子设备工作场所的危险程度；③采用综合防护加固技术，阻止ESD能量耦合。

因此，针对汽车上的LCD空调面板产品的ESD防护措施主要有以下3个要点［3，5］。

1）LCD的设计：在LCD电路中设计屏蔽线进行屏蔽设计、静电搭铁设计、屏蔽功能搭铁设计、以及增大I／O端口的分布电感等。

2）电路设计及PCB设计：通过合理的电路布局以及PCB的布线和安装，起到良好的ESD防护效果。

3）结构部件设计：增加结构静电防护零件，如上下铁框、导电铜箔、屏蔽罩、绝缘胶布等，其实质就是采用“堵静电”或者“导静电”的方式。

以上3种方式各有其优缺点，进行LCD空调面板的ESD防护设计时，根据不同面板的产品特性，可以采取单个措施也可以多个措施一同选用。其中LCD设计和电路设计以及PCB设计主要是从面板的设计源头上进行ESD防护规避，但后期整改周期长成本高，而结构部件设计则常用于后期进行产品的整改。

3 实例分析

某款SUV车型空调面板AUDIT车在环境温度0℃左右，用手按LCD屏时，LCD屏出现花屏，即图1中白色边框。

图1 LCD花屏故障

3.1 对故障件的LCD屏失效原因进行排查

1）将故障件通上电，按压LCD屏，未出现花屏。

2）故障件放入低温-10℃，放置4h，按压LCD屏，未出现花屏。

3）拍摄X光，样件内部静电释放回路，连接正常，如图2所示。

图2 内部静电释放回路图

4）对故障件进行接触放电测试，见表1。

表1 接触放电测试结果

5）对照客户EMC测试标准分析，见表2。

表2 客户EMC测试标准

状态等级说明：①状态A：施加干扰过程中及过程后，功能应满足设计要求 （允许在设计容差范围内）。②状态B：施加干扰过程中功能应满足设计要求，但允许超过限值或公差要求，移除干扰后，功能自动恢复到正常状态，存储记忆功能应满足功能等级A的要求。③状态C：施加干扰过程中，允许功能偏离设计要求，移除干扰后，功能自动恢复到正常状态，存储记忆功能应满足功能等级A的要求。

由客户EMC测试标准可知，产品在±8kV接触放电条件时，允许产品状态功能为C等级，满足测试要求。在实际应用中花屏现象可能是由人体带静电超过±8kV，按压LCD屏时对屏放电，导致LCD屏花屏。这是因为在不同湿度条件下，人体活动产生的静电电位有所不同，在寒冷干燥的季节里，人体静电可达几千伏甚至上万伏。

6）拆除故障件分析，按压时LCD屏与周围结构无干涉，排除因按压之后LENS接触到LCD屏的机械干涉导致LCD屏出现显示屏的边框。

综合分析，产品功能正常，且满足客户设计要求和试验标准；闪现花屏是由于在低温下，人体易带静电 （人体带电与空气干燥程度和衣服材料有强相关性），导致按压空调面板旋钮LCD屏时，对屏幕释放静电导致花屏现象。

3.2 优化方案及验证

经过上述分析，LCD屏闪现花屏是由于人体带静电导致，为改善空调面板上LCD出现的花屏现象，提升产品的用户体验，遵循ESD防护设计原则，同时考虑成本最优理念，采取以下优化措施来解决LCD花屏问题。

因为空调面板满足设计要求且通过客户的ESD测试试验，并且从LCD的设计、电路设计、PCB设计上优化改善的话，时间周期长，成本高。另一方面，LCD位于编码器内部且可视范围大，且LENS和LCD屏间距非常小，仅为0.05mm，再加上编码器内部机构的局限性，导致设计不能支持LCD屏上表面加导电布和铁框。

所以根据该空调面板LCD屏的产品实际，采用另一种“导”的方案。

1）在LCD屏上加双面ITO，同时在FPC连接器处搭铁：LCD屏双面加铟锡氧化物半导体透明导电膜 （Indium Tin Oxides，ITO，具有良好的导电性和透明性，厚度纳米级，透光率达90%以上），同时将FPC改为双层，增加一层独立的搭铁层，如图3、图4所示。

图3 ITO+FPC搭铁方案示意图

图4 LCD增加ITO示意图

2）增加放电面积，把放电的铁片改为铁圈，如图5所示。

图5 放电铁片改为铁圈示意图

3）优化方案验证。ESD测试结果，合格，见表3。

表3 ESD测试结果

人体产生的静电量受环境因素及个人体质影响，最终结果可能各不相同，可以从几千伏到几万伏；人体的带电一般需要在干燥的环境下经历累积过程，当人体静电积累到一定程度，按压LENS时，才会对LCD屏释放静电，故出现花屏现象属于概率事件。

当人体对LCD屏释放静电后，静电会慢慢通过PCB GND释放，最终花屏现象消失。人体静电释放完之后，按LCD屏不会花屏，且短期内也不会产生高压静电，人体静电损坏ESD的风险极低。

4 结论

ESD在汽车电子产品中是一个难以绕过的话题，尤其是前期按主机厂ESD标准要求，不存在品质问题，只有在特定条件下，才出现的故障现象，本文就是一个很好的例子。所以满足测试标准并不是评判产品性能的唯一标准，还需考虑更多实际的使用因素以应对汽车复杂的使用环境和多样化使用条件。建议设计人员在开发初期应综合考虑产品结构、零件材料以及电子元器件等因素，结合实际使用方式，灵活运用，以确保和提高ESD要求，才能使产品在使用中经得起任何环境变化的考验。