车载通信终端静电防护与设计

常 君，任 红，肖剑阁

（东软集团（大连）有限公司，辽宁 大连 116085）

车载通信终端 （Telematics BOX，简称T-BOX）是车载电子设备中典型的高可靠性产品，承担着车内网与车外网之间的数据通信、车身数据采集、远程控制等重要功能，可广泛应用于乘用车、新能源汽车及商用车等车型。尤其随着智能网联的普及，T-BOX实现的功能越来越多，应用也越来越广泛。T-BOX属于前装产品，在研发设计、生产、维修等环节中，要能够承受一定等级的静电放电的考验，需具备一定的静电防护能力。静电对其造成的破坏主要危害有：USB口无通信、eCall MIC无声音输入、按键检测失效等，这些故障现象会直接影响到客户功能使用，因此需要针对T-BOX产品增加相应的静电防护措施。本文主要针对T-BOX产品在设计和生产环节中的静电防护进行详细分析和介绍，并给出相关建议。

1 车载通信终端介绍

T-BOX产品主要采用车规级的处理芯片，利用新通信技术来实现现代化智能网联的功能，完全满足基于“汽车级”对可靠性、工作温度、抗干扰等方面的苛刻要求，其产品形态多数以黑盒子形式存在，对外接口主要有线束主端子接口（电源、CAN以及MIC、SPK等）、天线接口 （GNSS+LTE主、副天线）、USB接口、以太网接口等。如图1所示。

图1 T-BOX系统框图

T-BOX在各种车辆上实际安装位置也各不相同，例如有安装在扶手箱内部偏上，有安装在副驾驶座椅下面，还有安装在后备厢夹空中间等，安装的位置较为隐蔽；另外壳体、支架材料需求也不统一，大致可以分为如下：①支架：金属支架（搭铁），树脂支架；②壳体：全树脂壳体，半树脂壳体（上盖是树脂，下盖是金属）。

在设备制造/维护过程中，由于T-BOX产品连接器引脚和设备外壳表面容易碰触到，易受静电放电影响，静电会以直接和间接形式对其放电，因此对于T-BOX产品的静电防护，主要从硬件角度进行考虑。

2 系统抗静电设计

设计是主要环节。针对T-BOX静电防护设计，主要从原理图设计、PCB设计和结构设计等方面考虑，采用综合处理方法。

2.1 设计环节

2.1.1 明确参照标准和ESD划分等级以及试验方法

在T-BOX设计前期需要明确静电实验所参照的标准、ESD划分等级、试验方法、监控方式等。目前国内车企引用的标准主要来源于《ISO 10605-2008道路车辆-静电放电产生的电骚扰试验方法》和《IEC61000-4-2：2008 静电放电抗扰度实验》。结合T-BOX的安装位置，静电放电主要发生在生产和维修环节，实车很难触碰到，因此对T-BOX定位为防静电等级3。试验方法、放电方式主要参照引用的标准；监控方式由生产企业自定计划，主要包括放电次数、放电位置、实验过程中需要监控的功能以及监控方式等，并与车企达成一致。针对T-BOX产品ESD实验，带电工作模式下静电实验，功能监控主要是通过CAN口输出log数据方式监控；对于非带电模式下静电实验，主要是在每次静电实验后通电验证产品功能。设计前期通过以上对静电实验方法及过程的了解，对静电防护器件选型很有帮助。

2.1.2 原理图设计

在原理图设计时，需要在T-BOX所有与外界交互的接口处预留静电防护器件，其主要目的是吸收接口处产生的静电，防止静电进入PCB，对板子内部的电子元件造成潜在的损坏。所选防静电器件参数（以TVS管为例）主要从以下几方面因素考虑。

1）低寄生电容 关于TVS的保护器件，实际上是有寄生电容的，对于高速信号，寄生电容过大，则信号就会出现变形，如果是速度很慢或者直流的信号，则无需关注此参数。电容的容值与频率关系对照如图2所示。

图2 对应关系

2）Vrwm反向关断电压 要求大于或等于被保护电路的额定工作电压。例如，以USB接口为例，对USB2.0而言，Vbus供电在4.75～5.25V之间，所以需要选取的TVS二极管的工作电压需要≥5.25V。正常工作中D+和D-负责传输差分信号，幅值范围在0～3.6V之间，所以选择工作电压应≥3.6V，如果选择的二极管工作电压小于3.6V，就容易发生电流泄露的情况。

3）极性选择 在实际设计中需要确定TVS二极管的极性配置。以USB2.0为例，因为Vbus和D+、D-都是大于等于0的正向信号，所以单向和双向的二极管都是可以的。选择单向二极管有助于提供更好的负压保护，而选择双向二极管，则可以提供更灵活的设计空间，因为pin脚可以自定义接地、接I/O口。同理适用于D+与D-。

4）Vc钳位电压 当瞬态的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为Vc。Vc、IPP反映了TVS的突波抑制能力。Vc是二极管在截止状态提供的电压，也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则元件面临被损伤的危险。

2.1.3 PCB设计

PCB元件布局及布线对于抑制ESD至关重要，解决办法如下。

1）静电防护器件尽可能靠近输入端子或连接器。

2）静电防护器件和受保护线路之间的路径长度应最小化。

3）避免受保护导线与无保护布线平行运行，尽量减少平行信号路径。

4）保持一定间距，对于可能出现ESD耦合或幅射的2根线或2组线要保持足够的距离。

5）要保证静电首先经过防护器件，在对地泄放静电回路路径尽可能短，并且泄放回路阻抗要足够低。

6）避免使用公共地点作为瞬态泄放路径。

7）尽可能使用地平面。对于多层PCB，使用地通孔，地孔越多越好，并使每层地紧密连合一起，良好的地线层处处等电位，能使静电放电以最短的路径进入地线而消失。建立良好的地线层最好的方法是采用多层板，一层专门用作地线层；如果只能用双面板，应当尽量从正面走线，反面用作地线层，不得已才从反面过线。

8）在可能被ESD直接击中的区域，每一个信号线附近都要布一条地线。

9）对易受ESD影响的电路，应该放在靠近电路中心的区域，这样其他电路可以为它们提供一定的屏蔽作用。

10）在整个外围四周放上环形地通路。

11）要求在PCB元件布局时，器件距离四周板边缘要≥5mm，重要的IC器件 （MCU等）、敏感器件 （晶振等）不要放置板子边缘，并且在此边缘区域内不要布信号线，而是铺满地层，多放置一些地孔。

2.1.4 结构设计

在设计结构时，插接件及壳体结合等部位不可避免地会留下缝隙，因此内部电路板或元件需尽可能与缝隙保持一定的空间距离。设计的壳体上下边缘缝隙要足够小，将平行结合改为错齿结合 （图3），在一定程度上能减少空气放电时静电窜扰到壳体内部；PCB上高体积元器件顶部距离壳体要预留一定空间，防止被静电击坏；可以在端子接口缝隙处放置导电泡棉，增加静电泄放路径。对于敏感区域上方，可以在壳体内部内嵌金属屏蔽材料，这样做的目的是防止空气静电进入到敏感区域中。

图3 结构设计

以上这些措施是在设计源头采取的对抗静电的方法，具体实施中需要灵活运用。

2.2 生产环节

产品在工厂生产作业时也必须进行相应严格的静电预防管理。为了避免生产线上生产出不良产品，针对工厂生产过程中的静电预防，可以采用如下措施。

1）作业区环境及设备要求：产品在加工、组装、检测、包装与拆包装等操作都必须在防静电工作区内进行；对搬运、保管的设备，包括使用防静电周转、运输盘、盒、箱及其它容器、小车等都要有防静电措施；对环境空间空气、湿度严格监控。

2）人员要求：对生产线上工作人员，包括采购、保管、储运、加工、检测、维修、使用等，上岗前均要进行专门的培训，并配备静电防护设施，操作人员必须在去除人体带电后方可对产品进行操作，没有进行培训的人员不允许对产品操作。

3 结论

静电十分容易产生，但也能有效地控制。静电放电对设备的损害，在初期很难被发现，但影响后果是很大的，受静电损害后的产品不慎流入市场之后，使用过程中会随着时间的推移，逐渐发展可能成为永久性失效，而导致产品品质下降，寿命缩短，并直接损害到企业的声誉和经济效益。针对静电防护与设计，本文结合T-BOX实际产品，详细讨论了如何有效控制静电的一些措施，可以作为电子行业产品参考。