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浅谈静电放电VCP测试对汽车电子模块的影响

作者:邹爱华 张萍 熊雪峰时间:2017-07-27来源:电子产品世界
编者按:文章介绍了X车型娱乐子系统显示屏静电闪屏问题分析及解决措施。同时引发静电放电垂直耦合板VCP(Vertical Coupling Plane)方法的讨论,探讨静电放电VCP测试方法对汽车电子模块的影响。这些结果为汽车电子模块静电放电抗扰度测试方法提供参考依据。

作者 邹爱华 张萍 熊雪峰 泛亚汽车技术中心有限公司(上海 201201)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201707/362271.htm

  邹爱华(1978-),女,中级工程师,研究方向: 汽车电子电磁兼容。

摘要:文章介绍了X车型娱乐子系统显示屏静电闪屏问题分析及解决措施。同时引发VCP(Vertical Coupling Plane)方法的讨论,探讨VCP测试方法对汽车电子模块的影响。这些结果为汽车电子模块抗扰度测试方法提供参考依据。

引言

  随着智能化汽车的高度普及,电子控制模块在汽车上广泛运用,电子模块间的相互串扰概率大大提高,使得有限的车内空间里电磁环境变得更加恶劣。电磁兼容性的好坏影响到车辆功能安全性及用户使用感受度,因此,电磁兼容设计越来越引起人们的重视。虽然各种电磁兼容测试标准在各大整车厂商严格执行,但经过测试的整车可能因为测试条件或者测试方法等差异,仍旧有可能出现电磁兼容性问题。在众多电磁干扰及抗扰现象中,不受控制的静电放电(ESD)干扰会造成整车某部分电子功能暂时性失效或者性能变差,对产品质量造成严重影响,甚至会引起比较严重的售后抱怨,因此,静电放电在整车电磁兼容性中是必须考虑和预防的。

  ESD现象通常发生在电子模块自身暴露在外且易被触碰的表面,或者发生在附近的导电物体上,通过空间耦合到电子模块。测试发现,ESD产生的电磁干扰可以引起距离放电处1m外或者更远处的电子模块运行紊乱[1]

  本文通过X车型整车ESD测试现象进行分析,提出汽车电子控制模块的ESD测试方法建议,使产品抗ESD性能更为可靠。

1 X车型整车静电测试失效情况

  X车型在整车通电模式进行ESD测试时,当静电释放点在娱乐子系统显示屏上时,显示屏功能完全正常;当空气静电释放点在排挡镀铬球头上时,静电水平±6kV的情况下显示屏上会出现瞬间闪屏或者黑线现象,出现频次较高,测试结果判定失效。经过多辆整车验证,失效情况一致,排除车辆个例问题。该车型模块布置如图1所示,排挡总成右侧上下方正好布置了娱乐子系统控制模块和显示屏模块,控制模块和显示屏之间通过低电压差分信号LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口进行视频信号传送。

2 原因分析

  针对显示屏静电失效问题可以分两步分析,一是娱乐子系统自身抗静电干扰能力;二是排挡总成间接放电对娱乐子系统显示屏的影响。

  首先,采用国际标准ISO10605 2008[2]方法对娱乐子系统进行直接放电测试,测试结果正常,表1给出了娱乐子系统受到静电干扰时的测试结果。对娱乐子系统控制模块和显示屏模块分析,发现两个模块在设计时都有考虑静电防护,采用不敏感器件,同时在PCB板上加滤波器以减小瞬态能量的耦合,比如增加电容、磁珠、TVS[3]

  其次,把排挡总成放在娱乐子系统附近约10cm处(模拟VCP放电),对着镀铬球头空气放电±6kV,如图2所示,可以明显看见排挡间隙处产生强烈的火花,显示屏会出现瞬间闪屏或者黑线异常,随着空气放电等级加大,火花更明显,显示屏异常现象也愈加明显;把排挡总成镀铬部分接地,对着球头空气放电,测试结果正常;采用IEC61000-4-2[4]标准中的ESD抗扰度测试试验平台,用VCP模拟受试设备娱乐子系统附近的金属物品,可以再现失效。

  由此初步判定,X车型整车ESD测试失效的根本原因是排挡总成的孤立设计,当静电间接放电在排挡总成上时,由于没有泄放路径把电荷积累快速释放到大地,高积累电荷产生快速瞬态脉冲能量,从而影响附近敏感电子系统。

  通过分析X车型排挡总成发现,换挡操纵机构总成由手柄操作系统(knob system)、排挡杆和挡位限位组成,手柄操作系统为操作者提供操作的介质,手柄机构小巧、装配零件多,主要由球头(knob cap)和环套(ring)及按钮开关组成。球头饰板和环套(如图3),采用金属镀铬工艺,饰板与环套最小间隙应大于等于10mm,若饰板与环套间隙不足,则不易装配[5]。排挡总成孤立不与车身进行接地连接。球头饰板和环套都是金属镀铬表面,中间插入部分比较尖,且有小间隙;环套中间有一金属杆,铬环与杆之间形成间隙。在球头上释放静电,球头饰板尖锐部分和环套产生二次电弧,环套与排挡杆再次产生尖锐间隙放电,经过尖端、间隙放电导致产生宽带电磁场且频率高达数个GHz,近区磁场强度可达几十安培每米,电场可达数千伏每米[7-9],可以从缝隙进入模块内部,导致模块失效。

3 解决对策

  静电的防护措施主要有:

  1)接地,就是直接将静电通过一条线的连接泄放到大地,这是防静电措施中最直接最有效的方法;

  2)提高设备自身抗静电能力。

  根据上面分析,提出3个解决方案:

  1)把排挡球头及环套接地,使得静电能量能够快速释放到车身底盘(地),但是由于排挡总成是个活动零件,接地线方法不牢靠;

  2)更改PCB,进一步提高娱乐子系统的抗静电干扰能力,更改周期长,可控性不高,风险高;

  3)改球头金属镀铬工艺为非金属工艺,从源头上切断高能量的产生,实现较易。

  综合考虑,采用方案3。

4 ESD测试方法现状

  目前多数整车厂商对汽车零部件和子系统ESD验证方法参照ISO10605-2008要求,主要分为上电模式和非上电模式测试,其中上电模式又分为直接ESD放电抗扰测试和间接ESD放电抗扰测试,即板测试(HCP),但没有VCP测试要求。

  IEC61000-4-2标准中有专门的VCP测试要求,VCP是考核垂直耦合方式间接放电产生的瞬态电磁场对产品本身的影响。IEC61000-4-2规定静电发生器输出电流的典型波形(图4),规定应与被测设备保持0.1m的距离,对垂直耦合板的一个竖直边缘的中心实施静电放电,每个测试点测量10次,记录电场的峰值,然后取平均值。测量磁场时,示波器存储的是磁场探头的感应电压 (Uind)波形,经过计算得到相应的磁场强度(H)波形[6]

  感应电压的表达式为:

(1)

  有学者对静电放电磁场研究,其空间分布和图像结果表明[7]:静电放电是一个上升时间约1ns,持续时间仅几十个ns,放电电流可达近百安培的瞬态过程。电磁场峰值均出现在了最初的10ns内;随着离放电点距离的增加,辐射电磁场逐渐减弱;同一场点处随着放电电压的升高,电磁场最大峰值也上升。VCP产生的宽带电磁场频率高达数个GHz,容易影响附近的敏感电子设备。

5 结论

  随着人们视觉美观追求的提高,在汽车控制面板上镀铬工艺的应用越来越多(镀铬排挡球头、控制面板镀铬金属装饰条等),这些镀铬表面处理在静电释放时容易间接放电产生瞬态辐射电磁场,从而对安装在周边的子系统产生影响。从测试经验上发现,在未来的汽车电子模块ESD测试不能忽略VCP这个方法,特别是布置在汽车控制面板附近的娱乐子系统控制模块、导航模块及Telematics模块等,在ESD测试方法选择时要加以考虑。

  参考文献:

  [1]Henry W.Ott.电磁兼容工程[M].邹澎等译,北京:清华大学出版社,2013.

  [2]ISO10605 2008 Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge [S]

  [3]ICECS_2006_CCYen_Ker_PCShih

  [4]IEC61000-4-2 2008 Electromagnetic compatibility (EMC) –Part 4-2: Testing and measurement techniques-Electrostatic dischargeimmunity test[S]

  [5]陈子晃,任颖睦,金吉刚,等. 换挡操作机构的设计[C].杭州:吉利汽车研究所,2011.

  [6]原青云,刘尚合,吴勇等.静电放电抗扰度试验中若干特性的试验研究[J]机械工程学院学报2009,21(1):34-37.

  [7]李庆容. 静电放电抗度测试平台研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.

  [8]P F Wilson, M T Ma.Fields radiated bY electrostatic discharges[J].IEEE Transaction

  Electromagnetic Compatibility,1991,33(1):10-18

  [9] J Bendjamin, R Thottappillil,V Scuka.Time Varying Magnetic Fields Generated by Human

  Metal(ESD)Electrostatic Discharges[J].Jounal of Electrostatics,1999(46):259-269

  本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第37页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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