汽车流媒体摄像头静电放电异常问题验证

【摘 要】文章主要介绍某供应商的流媒体摄像头静电放电异常后对异常问题的定位与整改，包括零部件级别的测试表现与整车级别测试表现的对比分析，深入剖析摄像头硬件设计、外形设计，以及摄像头在整车上安装的方式和由此产生的不同表现。基于各类状态的综合考量，给出合适的整改方案，并予以实施，最终成功解决问题。

【关键词】静电放电;流媒体摄像头;放电路径;静电场效应

中图分类号：U463.67 文献标识码：B 文章编号：1003-8639（ 2024 ）11-0093-04

Verification of Abnormal Electrostatic Discharge of Automotive Streaming Media Cameras

【Abstract】This paper mainly introduces the positioning and rectification of the abnormal problem after the abnormal electrostatic discharge of a supplier's streaming media camera，including the comparative analysis of the test performance at the component level and the test performance at the vehicle level，and in-depth analysis of the camera hardware design，appearance design，as well as the way the camera is installed on the vehicle and the different performance generated therefrom. Based on the comprehensive consideration of various states，the appropriate rectification plan is given and implemented，and the problem is finally solved successfully.

【Key words】electrostatic discharge;streaming camera;discharge path;electrostatic field effect

静电在日常生活中随处可见，如冬日脱毛衣时的劈啪作响，或是走在地毯上开门时被门把轻微电击。这种程度的静电放电对人体通常并无实质伤害，但对各类电子设备却会造成极大损害。随着车辆向舒适化、智能化发展以及新能源的应用，车上的电子电器件数量不断增长，在整个车辆系统中所占比例越来越高，从早先约30%左右提升至现今普遍70%以上，这意味着静电放电已成为车辆无法回避的问题。值得注意的是，静电放电问题不仅集中在高电压冲击，许多电子电器件还容易受到低电压静电放电的损害。同时，静电放电产生的热量可能极高，释放到电子电器件上时，电荷产生的热量甚至会熔化或蒸发微小部件。更糟糕的是，静电放电有时会击伤电子电器件却使其仍能继续工作，形成潜伏缺陷，这种缺陷极难发现，最终会缩短电子电器件的使用寿命。基于此，如何解决车辆上电子电器件的静电放电问题，愈发成为主机厂或产品制造商的难题。供应商在制造、运输和处理过程中需采用各种保护措施防止问题发生，而主机厂则需对产品进行各种测试确认。

1 流媒体摄像头静电放电异常问题描述

某供应商的流媒体摄像头在售后市场发现流媒体显示屏会偶发性出现明显白条纹，且该问题北方市场出现率远高于南方市场，1～3月间问题出现率远高于其它月份。

依据售后反馈信息汇总，此问题地域性、季节性特征明显，符合静电放电问题的表现状态。零部件级别静电放电测试验证时，发现在对该流媒体摄像头以空气放电方式直接放电时复现问题现象，流媒体显示屏会出现明显白条纹，静电放电等级在±6kV时可较高频次观测该现象发生，当静电放电等级在±8kV时该现象复现率接近100%。整车级别静电放电测试时，所观测到的状态基本与零部件级别一致。

根据测试结果，基本可认定问题根源为静电放电。从表象来看，很容易判断出该流媒体摄像头的抗静电能力相对较弱。产品供应商基于测试结论进行了一系列整改。在后续的零部件级别测试中，静电放电等级为±6kV或±8kV时，该现象不再出现，流媒体摄像头工作正常;当静电放电等级为±15kV时，该现象虽仍可复现，但概率不高。然而，在进行整车级别测试时，情况基本没有改善。静电放电等级为±6kV时，该现象仍高频次复现;当静电放电等级为±8kV时，该现象复现率接近100%。

综合两轮测试的状态可知，应当是相关静电放电的一个综合性问题。

2 异常问题的测试与定位

考虑到该流媒体摄像头静电放电异常问题能够在零部件级别和整车级别的测试中得以复现，后续的验证工作可先基于零部件级别测试来考量流媒体摄像头作为产品的抗静电能力，之后再通过整车级别测试来考量整个系统的抗静电能力。

2.1 零部件级别静电放电测试

针对零部件级别静电放电的测试，整体思路比较清晰，可直接套用ISO 10605标准来进行。如图1所示，普适性的静电测试系统能够模拟该流媒体摄像头的静电放电异常问题。在仅知晓问题表现而未知真实原因时，测试应分为4部分：①对流媒体显示屏进行直接放电;②对流媒体摄像头进行直接放电;③对流媒体显示屏进行间接放电;④对流媒体摄像头进行间接放电。这4部分的测试均存在导致问题发生的可能性。

流媒体显示屏及摄像头如图2所示。在实际测试中，对流媒体显示屏及摄像头的间接放电均未发现异常，以此结论推得静电放电通过耦合方式产生影响的概率很小。对流媒体显示屏的直接放电静电放电等级在±15kV时，有较高频次出现屏幕闪烁的现象;对流媒体摄像头的直接放电时，如前所述，放电等级在±6kV复现问题现象。由现象的匹配来初步判定流媒体摄像头的抗静电能力不足是造成问题的主因。

流媒体摄像头本身的尺寸较小，PCBA上优化的空间有限，在与市场上某些成熟的摄像头产品做对比后，发现成熟产品有一些共通性的特点：①PCBA与外壳还预留了少许的电气间隙;②PCBA周边有开窗处理，与外壳接触处有机加工处理;③外壳的上下盖螺丝孔连接处有机加工处理。这些处理的原因从静电防护的角度而言意义很明确，首先PCBA板子与外壳间存在空气间隙对静电的传导路径产生有效改变;其次保证了PCBA充分接地，对静电可以达到有效泄放的目的。

某些流媒体摄像头结构式样如图3所示。基于与成熟产品的结构对比，流媒体摄像头做出了针对性的整改，增加了接地点且保留了间隙。初次整改过后的摄像头再次测试，此时静电放电通过耦合方式产生影响的条件没有改变，流媒体显示屏未做变化，所以只对流媒体摄像头的直接放电进行复测。如前所述，放电等级在±6kV和±8kV时，流媒体摄像头工作正常，当静电放电等级提高到±15kV时原问题现象可复现，但概率也不高。至此，可以视作零部件级别的抗静电能力得到较大提升。

2.2 整车级别静电放电测试

整车级别的测试也可直接套用ISO 10605标准来进行，整车级别的测试可以视为对零部件级别的系统化考量，而静电放电测试的整体思路与零部件是一致的。

如图4所示，整车级别的测试比零部件级别更为直观，流媒体摄像头作为产品被消费者可使用的状态即为测试状态，且如前所述，整车级别的测试应视为对零部件级别的系统化考量，则整车级别测试需要的是在零部件级别测试结论的基础上做系统化的确认。实际测试进行了2轮。第1轮目标件为未整改的流媒体摄像头，空气放电方式直接放电，静电放电等级在±6kV/±8kV时均复现异常，复现概率接近100%;第2轮目标件为整改过的流媒体摄像头，当静电放电等级在±8kV时，该现象复现率接近100%，即便在静电等级±6kV时仍能高频次复现该现象。

2.3 异常问题的分析定位

综合零部件级别和整车级别的测试结果来看，如果问题仅仅局限于流媒体摄像头的防静电能力弱，那么在零部件级别整改后静电放电等级上升的状态理应在整车级别测试中得到对应的改善。鉴于整车级别测试的结果比零部件级别测试结果要差，所以应当存在整车级别的其他问题。对比零部件级别测试与整车级别测试，除了整车内的其他用电器以及复杂布线之外，针对流媒体摄像头的直接差异在于两次测试间的流媒体摄像头到显示屏的线束长度。整车测试时，该线束长度按照真实需求达到4000mm，而零部件测试时，按照标准要求该线束长度为1500mm。

假设线束长度的不同是零部件级别测试与整车级别测试结果不同的根本原因，进行验证试验时先更改线束长度进行零部件级别测试。直接在整改过的流媒体摄像头上进行复测，在测试搭建保持一致的前提下，使用4000mm的整车线束，对流媒体摄像头以空气放电形式直接放电，放电等级在±6kV时再次高频次复现问题现象。当摄像头换回1500mm线束后，放电等级在±6kV和±8kV时摄像头工作正常。同样状态以整车级别进行复测，将整车线束调整为1500mm，线束保持原先布置不变，将流媒体摄像头安装于整车1500mm线束位置处，同样在整改过的流媒体摄像头上复测，同样保持空气放电形式直接放电，放电等级在±6kV和±8kV时摄像头工作正常。

2.4 问题整改

基于几次复测的结果，流媒体摄像头的抗静电能力不足问题可以视为由零部件层面增加结构空隙、加强接地效果等手段改善到可接受程度。整车级别的测试问题根因在线长，而整车的线长涉及流媒体摄像头的安装位置，在安装位置不能随意更改的前提下，线长变更几乎是不可能的。依据问题本身的方向猜测，该流媒体摄像头的走线简单仅包含供电、地、LIN通信、LVDS几路，不论静电干扰的传播路径是什么，如果可以做到尽快地对地泄放应该能对问题有明显改善。

流媒体摄像头线束调整如图5所示。原线束LVDS传输采用双绞屏蔽线束，将其屏蔽层独立引出，在整车上挑选离流媒体摄像头最近的合适位置作为接地点进行接地。调整后，该接地线距离接插件长度约为1000mm。再次进行整车复测，当放电等级在±6kV和±8kV时，流媒体摄像头正常工作;当放电等级在±15kV时，问题现象可能会概率性复现，此时整车测试结果与零部件测试结果保持一致。

3 流媒体摄像头静电放电异常问题的思考与验证

进一步对该流媒体摄像头静电放电异常问题进行思考，该流媒体摄像头的视频传输为LVDS信号，一般LVDS信号传输本身4m左右的距离并不应该会影响信号的传输。依据此，分别对1500mm及4000mm的LVDS信号进行采集，信号确实并无异常，回归到实际表现，4000mm线长时流媒体摄像头可以正常工作。流媒体摄像头静电放电状态验证如图6所示，搭建验证测试，流媒体摄像头过电流靶，用示波器捕捉每次放电时各线束（电源、地线、LIN通信线、LVDS线）上干扰波形的状态。

在实际测试中，先保持线长1500mm，放电等级在 ±6kV时，在各线束均可捕捉相应的干扰。考虑异常现象为显示相关，主要的关注点放在LVDS信号的影响上，采集到的流媒体摄像头LVDS波形如图7所示，波形相对平缓有少许异变，回归到实际表现，1500mm线长时流媒体摄像头可以正常工作。同样的测试搭建，将线长延长至4000mm，放电等级在±6kV时，LVDS的信号异常，明显区别于1500mm时状态。

如图8所示，应用惯常参数，X轴为时间，Y轴为电流，两次线长所捕捉到的静电波形有较大差异（多次捕捉的偏离值很大）。基于此，推测由于线束中存在寄生电容，在流媒体摄像头到线束对地的静电放电泄放路径中形成串联，等效为一个串联电容。同时，考虑到长线束中还存在寄生电阻，会导致阻抗发生变化。从现有试验结果来看，这样构成的一个新的RC电路会对静电放电性能产生一定影响。一般而言，在静电放电路径中将电容与目标器件并联时，目标器件容抗增大，从而可以降低静电放电带来的脉冲峰值，使耦合进来的能量分布分散，让静电波形相对平缓。然而在泄放路径中的串联电容的效果必然与之相反，电容串联降低了总的容值，从而使静电放电波形平缓的作用变弱。从试验结果来看，确实捕捉到的静电波形相比之下更为陡峭，瞬态的能量峰值更高，这也导致了目标器件实际可能更容易发生失效。

如果线束中寄生电容的存在是合理推测，那么同理，寄生电感的影响也可视为X因素之一。

考虑寄生电感时，无论是自感还是互感，均与线长相关。但是在整体考量时，不确定因素太多。对此，可以建立一个静电放电的模型进行仿真。在模拟人体放电模型时，主要思路是基于人体积累电荷通过直接接触的方式对目标器件放电。其中，放电器端主要包括高压脉冲发生器、充电电阻、人体等效电容、人体等效放电电阻等，可视为固定值。设L为目标系统的寄生电容，H为寄生电感。理论分析可知，随着寄生电感H值不断增大，人体放电模型的放电峰值电流逐渐减小，达到放电峰值电流的上升时间逐渐增加，但衰减时间几乎不变。而随着寄生电容L值不断增大，人体放电模型放电电流峰值逐渐减小，达到放电峰值电流的上升时间略微增加，衰减时间显著增加。寄生电感和寄生电容均会影响静电放电的峰值电流，寄生电感对放电峰值电流的上升时间影响较大，对衰减时间影响较小;而寄生电容对达到放电峰值电流的上升时间影响较小，对衰减时间影响较大。

有意思的是，当实际进行测试时，实际电路中寄生参数的影响会导致静电放电的波形明显偏离标准的放电电流，甚至与模型仿真所得的寄生参数下的静电放电状态也存在一定出入。基于此猜测，实际遭遇的线束或系统的各寄生参数的作用处于一个复合状态，它们之间的相互影响因素未必是一种常态。例如，线束中的寄生电容可以等效为在泄放路径上的串联电容，它可以视作一个激励电源，对静电有一个充能作用。根据电荷守恒定理，从源端注入的电荷与最后从系统中流出的电荷总量是守恒的。中间的充能增加了放电峰值电流的上升时间，其中电容串联使整个系统容值降低，从而电流峰值上升。同时，寄生电感使得放电电流进行振荡。在这种复合条件的影响下，使得实际测试中可捕捉到的状态一致性存在疑问。

参考文献：

[1] 陈喜峰，任玮蒙，武侠. 适用于低频振荡分析的电力电子接口电源模型研究[J]. 电力科学与技术学报，2020，35（6）：61-67.

[2] 宋文强. 集成电路ESD静电防护设计及闩锁免疫研究[D]. 成都：电子科技大学，2020.

[3] 王旭东，潘广桢. MATLAB及其在FPGA中的实现[M].北京：国防工业出版社，2006.

[4] 李盛. 集成电路ESD保护及其可靠性检测研究[D]. 西安：西安电子科技大学，2017.

[5] ISO 10605—2008，Road vehicles-Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge[S].