/ .延鋒偉世通電子科技（上海）有限公司；.上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們不僅關(guān)注機動車的動力和外觀，機動車的內(nèi)飾部分也逐漸成為消費者選擇機動車的重要指標。然而在機動車內(nèi)飾中，機動車儀表的造型和風格直接影響著消費者的駕駛心情。當司機坐進機動車座艙，首先面對的就是機動車儀表。機動車儀表是機動車信息的主要顯示界面，它提供了車速、轉(zhuǎn)速、油量、水溫、報警燈等重要信息。整車廠一致認為機動車儀表是級別較高的機動車零部件，屬于安全件的范疇，其反饋的正確與否直接影響到駕駛安全。因此機動車儀表在車輛行駛過程中必須工作正常，并能抵抗各種電磁干擾。

在很長一段時間里，炮筒式機動車儀表成為消費者的親睞對象。整車廠為了吸引消費者，將自家的機動車儀表的造型和風格都定義成炮筒式，為了增強立體效果，在炮筒的正面鑲嵌電鍍?nèi)?，使得機動車儀表更加美觀。然而隨著炮筒式機動車儀表電鍍?nèi)Φ脑黾?，對于機動車儀表的電磁兼容性卻是增加了很大的挑戰(zhàn)，特別是靜電放電試驗，逐漸成為炮筒式機動車儀表設(shè)計和測試的關(guān)注重點。

本文用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator)模擬實際項目中儀表電鍍環(huán)以及電鍍環(huán)與儀表電路板相對位置，并進行仿真分析。通過比較仿真結(jié)果和實測結(jié)果，證明了該方法的正確性，最終通過分析機動車儀表在靜電試驗產(chǎn)生的電磁場，給出電磁兼容靜電設(shè)計和測試合理的建議。

1 靜電放電要求

ISO 10605-2008對應(yīng)GB/T 19951-2005是關(guān)于道路車輛靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗方法。在GB/T 19951-2005中，對電子模塊的試驗規(guī)定：直接接觸放電端安裝在ESD模擬器上，并對可觸及的放電點直接接觸放電試驗，試驗電壓采用表1規(guī)定的接觸放電電壓等級?？諝夥烹姸税惭b在ESD模擬器上，距離被試設(shè)備至少15 mm。放電端垂直（±15°）對準放電位置，以速度不大于5 mm/s緩慢靠近，直至放電。按照圖1中空氣放電電壓等級測試各點。如無放電產(chǎn)生，則繼續(xù)移動放電端直至放電端與放電點接觸。如仍無放電產(chǎn)生，則此位置及此電壓等級下的試驗停止。由于整車廠的靜電放電標準是建立在ISO 10605-2008基礎(chǔ)之上，因此要求大同小異，在此不展開細說。

表1 電子模塊（通電運行）試驗嚴酷程度等級

根據(jù)ISO 10605-2008或GB/T 19951-2005對電子模塊的靜電放電要求以及各整車廠的靜電放電要求，當炮筒式機動車儀表正面的電鍍?nèi)]有被機動車儀表玻璃罩保護時，必須對炮筒的電鍍?nèi)M行接觸放電和空氣放電。

2 靜電放電試驗本質(zhì)

由經(jīng)驗知，在靜電放電試驗過程中，當靜電釋放在炮筒的電鍍?nèi)r，機動車儀表會存在兩種比較典型的失效現(xiàn)象：

1）機動車儀表的液晶顯示屏（LCD）花屏，特別是針對電磁兼容抗擾性較差的低端斷碼屏和點陣屏。

2）機動車儀表重啟，也就是所謂的Reset現(xiàn)象。

先從靜電放電的測試本質(zhì)來研究，如圖1（來源于Ford FMC 1278）所示，在進行靜電放電時，需要將靜電槍的接地線接至參考地。受試設(shè)備放置在50 mm絕緣材料上。如果受試設(shè)備是在整車中需要接地，則需要用銅編織帶連接受試設(shè)備與參考地。靜電槍頭放電至受試設(shè)備上可能會被手觸摸到的部位或垂直/水平耦合板（具體的放電測試點會在電子零部件的測試計劃中有所體現(xiàn)）。

圖1 靜電放電的試驗圖（通電運行）

靜電放電試驗從標準上看是一種電壓的測試，但實際上是一種電流的測試。因為根據(jù)歐姆定律，有電壓和阻抗，必然產(chǎn)生電流。靜電放電試驗是一種以共模為主的抗擾試驗，靜電放電的電流最終會流向參考地。因此分析靜電放電電流的路徑和電流大小具有非常重要的意義。如果靜電放電路徑經(jīng)過受試設(shè)備內(nèi)部電路，受試設(shè)備受靜電放電影響就會很大。防靜電放電設(shè)計的根本就是要避免靜電放電的電流流過受試設(shè)備的內(nèi)部電路。

從炮筒式機動車儀表的結(jié)構(gòu)觀察，炮筒的電鍍?nèi)嚯xPCB約10 cm，且與PCB沒有物理接觸。很多電磁兼容工程師很難理解沒有放電到PCB卻會產(chǎn)生的失效現(xiàn)象。很難用靜電放電的試驗本質(zhì)來解釋這個問題，因為一個重要的概念 — 電磁場一直被忽略。靜電放電的試驗本質(zhì)是來自共模電流的干擾，而共模電流還會伴隨瞬態(tài)電磁場的產(chǎn)生。

3 電磁場原理

在靜電場中，當電荷在電場中某一位置上，會受到電場力的作用，該位置具有一定的電場強度。電場中某一點的電場強度的大小與產(chǎn)生電場的電荷q成正比，與該點距離源電荷的距離平方成反比。為了正確反映電場強度的性質(zhì)，物理學中定義了電場強度，用E表示，即靜電場中某一點的電場強度在量值上等于單位正電荷在該點所受到的電場力。

從靜電場的電場強度去分析，炮筒式機動車儀表的結(jié)構(gòu)決定，當靜電槍向炮筒的電鍍?nèi)κ┘屿o電時，在炮筒的電鍍?nèi)ι线B續(xù)分布著電荷，從而產(chǎn)生一個電場，因此在機動車儀表PCB處會有一個電場強度E。

中國和東南亞，自古有著密切的文化聯(lián)系。在體育交往上，早在東漢永寧元年(公元120年)，就有緬甸(撣國)國王雍由調(diào)派遣使臣帶樂隊和雜技演員(幻人)到洛陽表演，一時轟動京城的歷史記載[1]。公元187年，廣西梧州人士燮就任越南(交趾)太守，廣開學校，促使“交趾成了通詩書、習禮樂的文獻之邦”[2]。其中的禮，有射禮；樂，有樂舞。

如圖2，假設(shè)炮筒式機動車儀表的電鍍?nèi)Φ陌霃綖镽，電鍍?nèi)鶆驇в须姾蓂，電鍍?nèi)茷榧殘A環(huán)，則其上的電荷密度為q/2近似，則P點的電場強度為

其中ε0是真空的介電常數(shù)

圖2 電鍍?nèi)Ξa(chǎn)生的電場強度

在運動電荷的周圍，不僅存在電場，而且還存在著磁場。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律的應(yīng)用，可以求得環(huán)形載流導(dǎo)線中心的磁感應(yīng)強度。

如圖3，假設(shè)炮筒式機動車儀表的電鍍?nèi)Φ陌霃綖閞，電流為I的圓環(huán)形電流，則電鍍?nèi)A心處的磁感應(yīng)強度為

圖3 電鍍?nèi)A心的磁感應(yīng)強度（x方向垂直于圓）

4 HFSS實例仿真

使用HFSS軟件進行仿真設(shè)計，模擬實際在炮筒式儀表盤電鍍?nèi)ι响o電放電試驗，建模如圖4所示。

在機動車儀表芯片工作范圍內(nèi)，對該模型進行電磁仿真。在機動車儀表電鍍?nèi)o電放電，在電鍍?nèi)χ車约半婂內(nèi)ο路絻x表電路板上面仿真出的電場分布如圖5所示。場強由紅色區(qū)域向藍色區(qū)域逐漸減小，激勵源附近電場強度最強，同時靜電傳導(dǎo)到電鍍環(huán)后，電鍍環(huán)又作為源向下方電路板輻射電場。

圖5 電鍍環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靜電電場分布

5 結(jié)語

從電場的角度分析，可以得出，電場強度與電鍍?nèi)Φ陌霃揭约半婂內(nèi)Φ絇CB的距離成反比。

炮筒式機動車儀表在靜電放電試驗過程中，不僅存在共模電流的傳導(dǎo)干擾，當對炮筒式機動車儀表正面的電鍍?nèi)M行接觸放電和空氣放電時，共模電流在電鍍?nèi)χ車纬呻姶艌?，從空間上對PCB形成耦合干擾。

因此，對炮筒式機動車儀表正面的電鍍?nèi)M行接觸放電和空氣放電是電磁兼容測試中一項重要指標。具體放電點需要機動車儀表供應(yīng)商與整車廠的電磁兼容工程師共同探討選取。

對于靜電釋放在炮筒的電鍍?nèi)r，機動車儀表會存在兩種比較典型的失效現(xiàn)象的應(yīng)對方案：

（1）機動車儀表的LCD花屏，特別是針對電磁兼容抗擾性較差的低端斷碼屏和點陣屏。

建議在LCD的引腳處預(yù)留濾波電路；選擇電磁兼容抗擾性較好的斷碼屏和點陣屏。

（2）機動車儀表重啟，也就是所謂的Reset現(xiàn)象。

建議在Reset信號線上預(yù)留去耦電容；并在設(shè)計時，注意Reset信號的走線，盡量避開電鍍?nèi)γ舾袇^(qū)域。

對于機動車儀表中的一些重要且敏感信號要盡量避免從電鍍?nèi)^(qū)域走線，若一定要從電鍍?nèi)^(qū)域走線，要注意在電磁兼容設(shè)計時，預(yù)留保護措施，以應(yīng)對在靜電放電試驗中電鍍?nèi)χ車a(chǎn)生的電磁場耦合干擾。

本文是基于一個可分析的相對理想模型，從電場和磁場的角度進行研究。在實際的工程運用中，還存在一些不確定的因素，這都需要在今后的工作中進一步研究。

[1]International Organization for Standardization. ISO 10605-2008 Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge[S].Switzerland：ISO copyright office, 2008.

[2]International Organization for Standardization. ISO 10605-2001 Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge[S].Switzerland：ISO copyright office, 2001.

[3]中國汽車技術(shù)研究中心.GB/T 19951-2005-T道路車輛-靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2005.

[4]日產(chǎn)自動車株式會社NES委員會.28401NDS02_6EMC SPECIFICATIONS OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC PARTS[S].橫濱：日產(chǎn)自動車株式會社，2013.

[5]鄭軍奇.EMC電磁兼容測試與案例分析，2版[M]北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6]高等專科學校試用教材編委會.物理學，2版[M]上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2001.

[7]沙斐.機電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1999.

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[9]李明洋.HFSS應(yīng)用詳解 電磁仿真設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2010.