常 君，任 紅，肖劍閣

（東軟集團(tuán)（大連）有限公司，遼寧 大連 116085）

車載通信終端 （Telematics BOX，簡稱T-BOX）是車載電子設(shè)備中典型的高可靠性產(chǎn)品，承擔(dān)著車內(nèi)網(wǎng)與車外網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信、車身數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等重要功能，可廣泛應(yīng)用于乘用車、新能源汽車及商用車等車型。尤其隨著智能網(wǎng)聯(lián)的普及，T-BOX實現(xiàn)的功能越來越多，應(yīng)用也越來越廣泛。T-BOX屬于前裝產(chǎn)品，在研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)、維修等環(huán)節(jié)中，要能夠承受一定等級的靜電放電的考驗，需具備一定的靜電防護(hù)能力。靜電對其造成的破壞主要危害有：USB口無通信、eCall MIC無聲音輸入、按鍵檢測失效等，這些故障現(xiàn)象會直接影響到客戶功能使用，因此需要針對T-BOX產(chǎn)品增加相應(yīng)的靜電防護(hù)措施。本文主要針對T-BOX產(chǎn)品在設(shè)計和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的靜電防護(hù)進(jìn)行詳細(xì)分析和介紹，并給出相關(guān)建議。

1 車載通信終端介紹

T-BOX產(chǎn)品主要采用車規(guī)級的處理芯片，利用新通信技術(shù)來實現(xiàn)現(xiàn)代化智能網(wǎng)聯(lián)的功能，完全滿足基于“汽車級”對可靠性、工作溫度、抗干擾等方面的苛刻要求，其產(chǎn)品形態(tài)多數(shù)以黑盒子形式存在，對外接口主要有線束主端子接口（電源、CAN以及MIC、SPK等）、天線接口 （GNSS+LTE主、副天線）、USB接口、以太網(wǎng)接口等。如圖1所示。

圖1 T-BOX系統(tǒng)框圖

T-BOX在各種車輛上實際安裝位置也各不相同，例如有安裝在扶手箱內(nèi)部偏上，有安裝在副駕駛座椅下面，還有安裝在后備廂夾空中間等，安裝的位置較為隱蔽；另外殼體、支架材料需求也不統(tǒng)一，大致可以分為如下：①支架：金屬支架（搭鐵），樹脂支架；②殼體：全樹脂殼體，半樹脂殼體（上蓋是樹脂，下蓋是金屬）。

在設(shè)備制造/維護(hù)過程中，由于T-BOX產(chǎn)品連接器引腳和設(shè)備外殼表面容易碰觸到，易受靜電放電影響，靜電會以直接和間接形式對其放電，因此對于T-BOX產(chǎn)品的靜電防護(hù)，主要從硬件角度進(jìn)行考慮。

2 系統(tǒng)抗靜電設(shè)計

設(shè)計是主要環(huán)節(jié)。針對T-BOX靜電防護(hù)設(shè)計，主要從原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面考慮，采用綜合處理方法。

2.1 設(shè)計環(huán)節(jié)

2.1.1 明確參照標(biāo)準(zhǔn)和ESD劃分等級以及試驗方法

在T-BOX設(shè)計前期需要明確靜電實驗所參照的標(biāo)準(zhǔn)、ESD劃分等級、試驗方法、監(jiān)控方式等。目前國內(nèi)車企引用的標(biāo)準(zhǔn)主要來源于《ISO 10605-2008道路車輛-靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗方法》和《IEC61000-4-2：2008 靜電放電抗擾度實驗》。結(jié)合T-BOX的安裝位置，靜電放電主要發(fā)生在生產(chǎn)和維修環(huán)節(jié)，實車很難觸碰到，因此對T-BOX定位為防靜電等級3。試驗方法、放電方式主要參照引用的標(biāo)準(zhǔn)；監(jiān)控方式由生產(chǎn)企業(yè)自定計劃，主要包括放電次數(shù)、放電位置、實驗過程中需要監(jiān)控的功能以及監(jiān)控方式等，并與車企達(dá)成一致。針對T-BOX產(chǎn)品ESD實驗，帶電工作模式下靜電實驗，功能監(jiān)控主要是通過CAN口輸出log數(shù)據(jù)方式監(jiān)控；對于非帶電模式下靜電實驗，主要是在每次靜電實驗后通電驗證產(chǎn)品功能。設(shè)計前期通過以上對靜電實驗方法及過程的了解，對靜電防護(hù)器件選型很有幫助。

2.1.2 原理圖設(shè)計

在原理圖設(shè)計時，需要在T-BOX所有與外界交互的接口處預(yù)留靜電防護(hù)器件，其主要目的是吸收接口處產(chǎn)生的靜電，防止靜電進(jìn)入PCB，對板子內(nèi)部的電子元件造成潛在的損壞。所選防靜電器件參數(shù)（以TVS管為例）主要從以下幾方面因素考慮。

1）低寄生電容 關(guān)于TVS的保護(hù)器件，實際上是有寄生電容的，對于高速信號，寄生電容過大，則信號就會出現(xiàn)變形，如果是速度很慢或者直流的信號，則無需關(guān)注此參數(shù)。電容的容值與頻率關(guān)系對照如圖2所示。

圖2 對應(yīng)關(guān)系

2）Vrwm反向關(guān)斷電壓 要求大于或等于被保護(hù)電路的額定工作電壓。例如，以USB接口為例，對USB2.0而言，Vbus供電在4.75～5.25V之間，所以需要選取的TVS二極管的工作電壓需要≥5.25V。正常工作中D+和D-負(fù)責(zé)傳輸差分信號，幅值范圍在0～3.6V之間，所以選擇工作電壓應(yīng)≥3.6V，如果選擇的二極管工作電壓小于3.6V，就容易發(fā)生電流泄露的情況。

3）極性選擇 在實際設(shè)計中需要確定TVS二極管的極性配置。以USB2.0為例，因為Vbus和D+、D-都是大于等于0的正向信號，所以單向和雙向的二極管都是可以的。選擇單向二極管有助于提供更好的負(fù)壓保護(hù)，而選擇雙向二極管，則可以提供更靈活的設(shè)計空間，因為pin腳可以自定義接地、接I/O口。同理適用于D+與D-。

4）Vc鉗位電壓 當(dāng)瞬態(tài)的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為Vc。Vc、IPP反映了TVS的突波抑制能力。Vc是二極管在截止?fàn)顟B(tài)提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時通過TVS的電壓，它不能大于被保護(hù)回路的可承受極限電壓，否則元件面臨被損傷的危險。

2.1.3 PCB設(shè)計

PCB元件布局及布線對于抑制ESD至關(guān)重要，解決辦法如下。

1）靜電防護(hù)器件盡可能靠近輸入端子或連接器。

2）靜電防護(hù)器件和受保護(hù)線路之間的路徑長度應(yīng)最小化。

3）避免受保護(hù)導(dǎo)線與無保護(hù)布線平行運行，盡量減少平行信號路徑。

4）保持一定間距，對于可能出現(xiàn)ESD耦合或幅射的2根線或2組線要保持足夠的距離。

5）要保證靜電首先經(jīng)過防護(hù)器件，在對地泄放靜電回路路徑盡可能短，并且泄放回路阻抗要足夠低。

6）避免使用公共地點作為瞬態(tài)泄放路徑。

7）盡可能使用地平面。對于多層PCB，使用地通孔，地孔越多越好，并使每層地緊密連合一起，良好的地線層處處等電位，能使靜電放電以最短的路徑進(jìn)入地線而消失。建立良好的地線層最好的方法是采用多層板，一層專門用作地線層；如果只能用雙面板，應(yīng)當(dāng)盡量從正面走線，反面用作地線層，不得已才從反面過線。

8）在可能被ESD直接擊中的區(qū)域，每一個信號線附近都要布一條地線。

9）對易受ESD影響的電路，應(yīng)該放在靠近電路中心的區(qū)域，這樣其他電路可以為它們提供一定的屏蔽作用。

10）在整個外圍四周放上環(huán)形地通路。

11）要求在PCB元件布局時，器件距離四周板邊緣要≥5mm，重要的IC器件 （MCU等）、敏感器件 （晶振等）不要放置板子邊緣，并且在此邊緣區(qū)域內(nèi)不要布信號線，而是鋪滿地層，多放置一些地孔。

2.1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，插接件及殼體結(jié)合等部位不可避免地會留下縫隙，因此內(nèi)部電路板或元件需盡可能與縫隙保持一定的空間距離。設(shè)計的殼體上下邊緣縫隙要足夠小，將平行結(jié)合改為錯齒結(jié)合 （圖3），在一定程度上能減少空氣放電時靜電竄擾到殼體內(nèi)部；PCB上高體積元器件頂部距離殼體要預(yù)留一定空間，防止被靜電擊壞；可以在端子接口縫隙處放置導(dǎo)電泡棉，增加靜電泄放路徑。對于敏感區(qū)域上方，可以在殼體內(nèi)部內(nèi)嵌金屬屏蔽材料，這樣做的目的是防止空氣靜電進(jìn)入到敏感區(qū)域中。

圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

以上這些措施是在設(shè)計源頭采取的對抗靜電的方法，具體實施中需要靈活運用。

2.2 生產(chǎn)環(huán)節(jié)

產(chǎn)品在工廠生產(chǎn)作業(yè)時也必須進(jìn)行相應(yīng)嚴(yán)格的靜電預(yù)防管理。為了避免生產(chǎn)線上生產(chǎn)出不良產(chǎn)品，針對工廠生產(chǎn)過程中的靜電預(yù)防，可以采用如下措施。

1）作業(yè)區(qū)環(huán)境及設(shè)備要求：產(chǎn)品在加工、組裝、檢測、包裝與拆包裝等操作都必須在防靜電工作區(qū)內(nèi)進(jìn)行；對搬運、保管的設(shè)備，包括使用防靜電周轉(zhuǎn)、運輸盤、盒、箱及其它容器、小車等都要有防靜電措施；對環(huán)境空間空氣、濕度嚴(yán)格監(jiān)控。

2）人員要求：對生產(chǎn)線上工作人員，包括采購、保管、儲運、加工、檢測、維修、使用等，上崗前均要進(jìn)行專門的培訓(xùn)，并配備靜電防護(hù)設(shè)施，操作人員必須在去除人體帶電后方可對產(chǎn)品進(jìn)行操作，沒有進(jìn)行培訓(xùn)的人員不允許對產(chǎn)品操作。

3 結(jié)論

靜電十分容易產(chǎn)生，但也能有效地控制。靜電放電對設(shè)備的損害，在初期很難被發(fā)現(xiàn)，但影響后果是很大的，受靜電損害后的產(chǎn)品不慎流入市場之后，使用過程中會隨著時間的推移，逐漸發(fā)展可能成為永久性失效，而導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)下降，壽命縮短，并直接損害到企業(yè)的聲譽和經(jīng)濟(jì)效益。針對靜電防護(hù)與設(shè)計，本文結(jié)合T-BOX實際產(chǎn)品，詳細(xì)討論了如何有效控制靜電的一些措施，可以作為電子行業(yè)產(chǎn)品參考。