ESD试验技术在组合仪表中的研究与应用

刘 姣

（神龙汽车有限公司，湖北 武汉 430056）

1 引言

静电放电（Electro-static Discharge，ESD）是指具有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的一种电磁干扰现象。它是一种常见的近场危害源，其放电过程可形成高电压、强磁场、瞬时大电流，且放电过程中易产生强烈的电磁辐射而形成电磁脉冲，易导致敏感电子设备或控件受到持续的干扰乃至破坏，使其性能下降或直接被损坏。

当代汽车的电子化程度越来越高，若汽车上电子电气设备不能满足相应的标准且具有一定的抗电磁干扰能力，就可能导致设备性能降低或引发安全事故。近些年，汽车召回事件屡见不鲜，其中由于静电问题所引发的召回事件时有发生。如2006年通用汽车公司在全球召回部分霍顿Statesman轿车事件，2011年丰田汽车有限公司召回33809辆花冠EX（COROLLA EX）轿车事件。这种情况不仅使用户产生疑虑、给其带来不便，更给汽车生产商造成严重经济损失。

为保证汽车安全、可靠、有效地运行，汽车上的电子零部件和整车电子电气系统均需进行静电放电抗扰度试验，即ESD试验。汽车仪表提供汽车运行的参数信息，帮助驾驶员准确掌握车辆状况，对安全驾驶具有重要意义。因此，对汽车仪表进行ESD试验，并对其抗静电干扰性能进行评估就显得十分必要。

2 静电放电

静电在日常生活中无处不在，人体是最重要的静电源，身上和周围可带有几千伏甚至几万伏的静电电压，如人走过化纤地毯时产生的静电大约为3.5万伏，翻阅塑料说明书时大约7千伏。人手握车门把手、触摸汽车仪表等也会产生静电。

目前国内外对静电的研究主要集中在静电产生原理、静电危害及防护技术、静电应用技术、静电放电模型以及静电放电试验技术等方面。静电放电具有隐蔽性、潜在性、累积性、随机性和复杂性等特点。它有两种表现形式：一是通过导体直接耦合，二是通过空间辐射耦合。

2.1 静电危害

静电可在多个领域造成严重危害，特别是静电引起的火灾与爆炸事故带来的后果不堪设想。敏感电子元器件半导体组件 （如二极管、三极管、集成芯片等）、薄膜电阻、混合电路器件、可控硅以及晶体管等最易受静电放电的影响。静电对电子产品的危害主要表现在以下几个方面。

1）静电吸附灰尘，易造成元器件间的引线短路，缩短寿命。

2）静电放电电流或电场产生的热效应，易使元器件或系统受到潜在的损伤或误判断。

3）静电放电产生的电磁场可达几百伏/米的幅度、十兆到千兆的宽频谱，对电子产品造成强电磁干扰而损坏。

2.2 静电放电模型

人体静电通过放电、释放静电能量造成危害。汽车电子ESD试验是在干燥的环境下，通过模拟带静电的人体在装配、存放、搬运、维护或对车辆进行操作时，对汽车电子电气零部件的静电放电过程，以此来验证零部件对静电放电的抗干扰能力。汽车电子ESD试验是基于人体放电模型即ESD人体模型来进行的，ESD人体模型图如图1所示，该模型实际为一个等效阻容网络。

图1 ESD人体模型

各个汽车厂商对ESD人体模型采用的标准不尽相同，PSA B21 7110中使用了两种ESD模型。未通电模式下，C=150pF，R=330Ω；通电模式下，C=330pF，R=2000Ω。

2.3 试验标准

ESD试验需要根据试验标准来进行，目前静电放电试验参考的国际标准为：IEC/EN 61000-4-2、ISO 10605。我国国家标准为：GB/T 17626.2《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》，GB/T 19951《道路车辆静电放电产生的电骚扰试验方法》。各大汽车生产商一般都有各自的标准规范，且要求比国际标准、国家标准更为严格，神龙汽车有限公司采用PSA的B21 7110（引用ISO 10605）。

3 仪表的ESD试验

ESD试验要求在组件层面、系统层面、整车层面3个方面进行。汽车仪表组件层面的测试在试验室中进行，静电发生器为测试系统的关键构成设备。本试验按照B21 7110标准要求，采用瑞士EM TEST公司的ESD30N对神龙公司某车型仪表进行试验。

3.1 试验台架

对被测设备或器件（EUT）进行ESD试验有两种工作模式，一种是EUT不通电，另一种是EUT通电。在进行试验之前，需按要求搭建试验台架。图2为试验台架的示意图，图中描述了未通电模式与通电模式两种工作模式下的台架配置。

图中的参考地面为厚度不小于1mm的金属板，它是EUT、静电放电发生器等的公共参考地，其直接与大地相连。绝缘衬垫为厚度大于0.5mm的非吸湿性耗散材料，用来放置EUT，如仪表等。绝缘底座用于支撑线束电缆，厚度为50mm。

未通电模式，对EUT进行直接放电。通电模式下，除进行直接放电外，还需通过耦合平面对EUT进行间接放电，如图2所示。

图2 试验台架示意图

3.2 试验点的选取

人体产生的静电放电是汽车电子的一个主要干扰源。因此，测试点的选取就需要将这些人体直接或间接可能接触的点都考虑进去。测试点选取按照如下规则。

传导部分：如紧固件螺母、金属支撑架、PIN脚及金属外壳等。

绝缘部分：人机接口的任何位置如方向盘、门把手、开关、旋纽、按键、键盘、屏幕、绝缘外壳及其它操作可接触的部位等。

对神龙公司某车型仪表的放电试验点选取如图3所示，主要包括仪表接插件的PIN脚、按键、指示器、屏幕、紧固件螺母和金属支撑架等可接触的部位。若在通电模式下，还需对仪表的连接器外壳和线束电缆进行空气放电。

图3 某车型仪表ESD试验点

3.3 试验方法

仪表的ESD试验需在仪表未通电和通电两种模式下进行，其试验流程如图4所示。在未通电模式下，按要求施加完脉冲后对仪表的功能状态进行评估。而在通电模式下，则在施加脉冲过程中和之后都需对仪表的功能状态进行评估。

图4 ESD试验流程

两种工作模式下的试验方法虽然类似，但未通电模式下采用的是先电压严酷等级后±极性的方法，仅需要进行直接放电试验；而通电模式下则采用的是先±极性后电压严酷等级的方法，需要进行直接放电和间接放电试验，且严酷等级要求更高。试验的一组脉冲包括10次放电脉冲，每次放电脉冲的间接时间为1s。

未通电模式

未通电状态下，ESD30N使用150pF、330Ω的放电网络模块，按照以下步骤进行试验。

1）搭建测试台架。

2）检查测试环境。

3）使用ESD30N对仪表的传导部分的点释放一组+4kV接触放电脉冲，接着是一组+8kV脉冲；然后再释放一组-4kV放电脉冲，接着是-8kV一组脉冲。

4）施加完所有脉冲后验证仪表功能，并记录试验数据。

5）使用ESD30N对仪表的绝缘部分的点释放一组+8kV空气放电脉冲，接着是一组+15kV脉冲；然后再释放一组-8kV放电脉冲，接着是-15kV一组脉冲。

6）重复4）。

7）使用ESD30N对仪表的PIN脚释放一组+2kV接触放电脉冲，接着是一组+4kV脉冲；然后再释放一组-2kV放电脉冲，接着是-4kV一组脉冲。

8）重复4）。

通电模式

通电状态下，使用330pF、2000Ω的放电网络模块，试验按照以下步骤进行。

1）搭建测试台架。

2）检查测试环境。

3）运行仪表，时间为10min。

4）使用ESD30N对仪表的传导部分的点释放一组+2kV接触放电脉冲，接着是一组-2kV脉冲。

5）在试验进行过程中和之后验证仪表功能，并记录试验数据。

6）分别以±4kV、±8kV、±15kV重复4）、5）。

7）使用ESD30N对仪表的绝缘部分的点（包括连接器外壳和线束）释放一组+4kV的空气放电脉冲，然后再释放一组-4kV脉冲。

8）重复5）。

9）分别以±8kV、±15kV、±25kV重复7）、8）。

10）使用ESD30N对水平耦合板（仪表需放置于距耦合板边缘的10cm位置）释放一组+2kV放电脉冲，然后再释放一组-2kV脉冲。

11）重复5）。

12）分别以±4kV、±8kV、±15kV重复10）、11）。

13）重复5）。

进行接触放电时，使用ESD30N的尖头直接接触测试点进行脉冲释放；进行空气放电时，使用ESD30N的圆头以缓慢的速度靠近测试点进行脉冲释放；进行间接放电时，仪表需放置在距耦合板边缘10cm处，使用ESD30N的尖头在仪表的前、后、左、右4个方向对水平耦合板进行接触脉冲释放。

3.4 试验评估

3.4.1 评估规则

测试结果的评估一般按照EUT功能受影响的程度做判定，按照测试流程，需不断对仪表的功能状态进行评估，按照B21 7110标准的定义，评估等级分为A、B、C、D、E五级，具体评估规则如下所述。

A：EUT的功能在试验期间和之后均符合设计要求。

B：某些功能在试验期间出现偏差，试验结束后与A相符。

C：某些功能在试验期间出现异常，试验结束后可自动恢复。

D：某些功能在试验期间出现异常，操作人员干预或系统复位后，功能可以恢复。

E：EUT损坏。

评估方法

通电模式下，在试验过程中，对仪表进行功能评估主要靠观察的方法。而按照流程步骤，两种工作模式下，每组试验之后都需对仪表进行全面的功能评估。评估使用德国Vector公司的CANalyzer软件，并针对该车型仪表在软件中编写个性化的图形化试验程序。按照制定的试验计划，逐步验证仪表的各项功能，图5为针对该车型仪表的图形化试验程序界面。

图5 图形化试验程序界面

评估结果分析

两种工作模式下，在试验步骤中的每组ESD试验之后，通过图形化软件程序的模拟试验，仪表各项功能都正常。

但在通电模式的试验过程中，对于传导部分21-28这8个试验点施加+8kV、-8kV严酷等级的两组接触放电脉冲时，仪表的驾驶员和副驾驶员安全带报警灯出现了闪亮情况，脉冲结束后自动恢复正常。对这8个点施加+15kV、-15kV的两组放电脉冲时，整个仪表盘熄灭，脉冲结束后2s左右，仪表盘自动点亮，恢复正常。这两组电压等级的评估结果为C。步骤中的其它试验组，未发现仪表发生异常，评估结果为A。

在满足要求的试验室环境下（温度21℃、湿度50%），该车型仪表的ESD试验结果如表1所示，可见传导部分比绝缘部分更容易受干扰，从结果可以得出该车型仪表的抗静电干扰性能满足B21 7110要求。

表1 试验结果

4 静电防护方案

通过分析，在通电模式的±8kV、±15kV等级下进行接触放电试验时，由于仪表紧固件螺母（试验点21-28）防静电措施的不足引起仪表防静电性能的降低，建议采取以下措施进一步提高仪表的防静电性能等级。

1）介质隔离，在裸露的螺母表面贴覆低介电常数材料或直接使用塑料螺母，使其与仪表的内部电路隔离开来，避免静电放电的发生。

2）采取措施使PCB板的螺丝孔与大地相连，这样静电干扰可直接泄放至大地，保证其不干扰内部系统。

3）优化仪表PCB板布线布局，对敏感器件的连线使用高电压钳位电路或增加滤波网络等。

ESD试验的主要目的是验证产品的抗静电干扰性能，若进行试验后的电子产品功能不满足技术标准要求，则必须对缺陷点进行分析，在结合成本分析的基础上采取合适的途径对其进行整改。

5 结论

在汽车研发阶段对其电磁干扰问题进行研究，并进行相关的电磁兼容试验十分重要而必要，ESD试验就是其中的一项重要内容。本文在满足试验要求的环境下，对汽车电子设备的静电干扰模型进行分析，研究相关的试验方法，并以神龙公司某车型的仪表组件为模型进行抗静电干扰性能的试验分析，并针对试验结果提出进一步提高仪表防静电等级的方案。汽车品质关系到生命和财产的安全，因此汽车生产企业应该更加重视电磁干扰问题，进一步保证产品品质，减少不必要的损失。