汽車空調(diào)觸摸開關(guān)靜電故障分析及整改方案

劉萬波 李東 張海燕 周仁曉 徐偉航

浙江萬超電器有限公司 浙江省溫州市 325006

隨著汽車行業(yè)這幾年的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外新產(chǎn)品新技術(shù)的沖擊涌入，傳統(tǒng)按鍵式開關(guān)正在被逐步取代，觸摸式開關(guān)由于其壽命長、外觀新穎、深受年輕人喜愛等優(yōu)點逐漸被國內(nèi)各大車廠所采用。而觸摸開關(guān)較之按鍵式開關(guān)而言，內(nèi)部必須集成MCU高精度電路設(shè)計及觸摸采樣電路設(shè)計。為了使產(chǎn)品更為可靠的運行，產(chǎn)品本身需要經(jīng)過嚴(yán)苛的ESD干擾實驗，本次產(chǎn)品的ESD干擾失效的問題便接踵而至。

ESD全 稱Electro-Static discharge，中文名稱靜電釋放。靜電是自然界客觀存在的現(xiàn)象，本質(zhì)原因是物體自身與大地絕緣，然后自身的電子由于摩擦、接觸、感應(yīng)等原因被剝離，與外界形成的一個壓差。這個壓差可能有幾千或者上萬伏。

靜電放電則是兩個攜帶“靜電”的物體接觸或接近瞬間電能迅速釋放并達(dá)到電位平衡的物理現(xiàn)象。短時高能的放電對電路系統(tǒng)而言可能會造成不可逆的損害。特別是電路里的核心元器件_單片機。單片機失效則意味著這套電路系統(tǒng)完全損壞。這肯定是不合產(chǎn)品質(zhì)量需求的。

1 故障描述

空調(diào)觸摸開關(guān)在測試時，他的靜電釋放等級和相應(yīng)功能需求等級如下表1所示，靜電釋放點位如下圖1所示（圖1中圓點為ESD靜電測試點，每點進行3次）。

圖1 ESD靜電測試點

功能需求等級說明：

①I級：產(chǎn)品在施加干擾期間和干擾去除之后，功能執(zhí)行均正常；

②II級：產(chǎn)品在施加干擾期間，主要功能執(zhí)行正常，可以允許有多個功能存在一定偏差；干擾去除后產(chǎn)品功能自動恢復(fù)正常；

③III級：產(chǎn)品在施加干擾期間，可以不執(zhí)行部分功能甚至失效；干擾去除后產(chǎn)品功能自動恢復(fù)正?；蚪?jīng)過簡單操作后恢復(fù)正常。

實驗結(jié)果為：

①±4KV，±6KV，±8KV接觸放電滿足相應(yīng)功能需求等級要求；

②±6KV，±8KV，±15KV空 氣 放 電滿足相應(yīng)功能需求等級要求；

③±25KV空氣放電一次后字符LED不正常顯示，靜電移除并重啟后LED正常顯示，不過觸摸功能完全失效。打滿三次靜電，發(fā)現(xiàn)字符LED也不再工作，完全失效。

所以樣品初次設(shè)計方案靜電實驗判定為不合格。需要進一步分析失效原因并設(shè)計整改。

2 故障分析

對故障件進行拆解，取出里面線路板，按照原理圖進行逐項排查。定位線路板功能失效具體硬件及原因。

①電源電路：

一般情況下，靜電對電源電路（如下圖2所示）影響比較大，容易對其輸入或者輸出造成擊穿，從而導(dǎo)致整體功能失效。

圖2 24V電源輸入設(shè)計電路

I：過壓電路計算：V耐壓=VD2穩(wěn)壓+VFZT665耐壓=24V+150V=174V

II：靜電計算：靜電槍等效為330pF/25KV的電容放電模型，電源電路等效為2個100nf電容充電模型。

根據(jù)充放電公式：Q=C1*V1=（C1+C2+C3）*V2（V1為ESD電壓，V2為放電后電壓）

V2=C1*V1/（C1+C2+C3）≈41V

根據(jù)計算結(jié)果可知，放電平衡后的電壓遠(yuǎn)比電路設(shè)計的174V可靠耐壓要小。所以靜電不會對后端穩(wěn)壓電路造成影響。因此也更不會對MCU造成損壞。

②LED顯示電路

本產(chǎn)品LED數(shù)量眾多，都由MCU直驅(qū)的話會比較占用MCU管腳資源。出于成本考慮，本產(chǎn)品采用了MCU+LED驅(qū)動芯片的設(shè)計電路，即MCU和LED驅(qū)動芯片采用串行通訊，LED驅(qū)動芯片解碼通訊信號，然后根據(jù)通訊信號驅(qū)動LED。模塊化的設(shè)計實現(xiàn)降成本的同時，也給ESD問題分析提供了便利。

我們這里采用反證法排除ESD通過LED損壞電路的原因。手工準(zhǔn)備了一只去除U1，U2芯片的產(chǎn)品總成重新進行試驗，這樣掐斷了靜電通過U1，U2損壞MCU的可能。

產(chǎn)品初始工作狀態(tài)：LED不工作，測試臺照常接受MCU發(fā)出的觸摸按鍵信號。

產(chǎn)品ESD實驗后狀態(tài)：LED不工作，測試臺不能接受MCU發(fā)出的觸摸按鍵信號。

焊接回U1，U2芯片后手工實驗樣件的LED依舊不工作。

結(jié)論：排除了ESD通過LED顯示電路損壞了MCU的可能性。

圖3 5V電源輸出電路

③觸摸電路

在查閱相關(guān)資料中我們發(fā)現(xiàn)，靜電的釋放路徑遵循阻抗性最小原則，所以ESD干擾中的電子能量束會優(yōu)先選擇導(dǎo)電路徑，再選擇擊穿空氣及絕緣體作為導(dǎo)電路徑。這時我們結(jié)合產(chǎn)品爆炸圖（如圖4所示）、實驗現(xiàn)象一起分析，去尋找阻抗最小的ESD釋放路徑并驗證。

在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)±25KV ESD空氣放電時，肉眼可見的電弧被鍍鉻環(huán)吸收，由于鍍鉻環(huán)是金屬材質(zhì)且環(huán)繞產(chǎn)品一周，因此它是最有可能吸收靜電，并釋放到下一個節(jié)點。觀察可看到，產(chǎn)品縫隙剛好有一條FPC的觸摸信號引線（導(dǎo)電），通過接插件直連線路板的MCU。因此我們做出了ESD釋放路徑的假設(shè)（如圖5所示）。

圖5 靜電釋放路徑假設(shè)圖

ESD槍→鍍鉻環(huán)→縫隙→FPC→FPC連接器→采樣電阻→MCU→回地

從圖片中不難看出，ESD干擾作用時，電子束只擊穿了鍍鉻環(huán)和FPC縫隙間的空氣，其余路徑都是導(dǎo)電通道。因此ESD只釋放了極少部分的能量，到達(dá)MCU時依舊有很大的量級，從而造成了MCU的損壞。

綜上所述論證，這個假設(shè)正確的可能性極大。接下來我們用逐步切斷法實驗去進一步驗證這個假設(shè)（如下表2所示）。

表2 切斷法實驗驗證ESD路徑

結(jié)論：ESD干擾通過鍍鉻環(huán)進入縫隙，然后沿FPC及其連接電路最后損壞了MCU。

3 整改方案

ESD干擾中的瞬時電子能量束某些特性就像“洪水”，他的治理方案也和“洪水”一樣：“疏”和“堵”兩種方案。

3.1 堵

“堵”有兩個設(shè)計整改方案，整改示意圖如下圖6所示。

圖6 靜電釋放路徑假設(shè)圖

①修模，將外殼附近的卡扣堵住，以減小縫隙；

②更改FPC和線路板，將FPC觸摸信號線引線位置遠(yuǎn)離卡扣縫隙，線路板上的FPC連接器位置及線路也做相應(yīng)移動。

“堵”這兩種整改方案都能延長ESD干擾的空氣擊穿路徑，讓更多的能量釋放到空氣中，從而達(dá)到保護末端電路的目的。

不過外殼卡扣堵住后，零件無法卡接連接，結(jié)構(gòu)上不成立。只能將卡扣位置遠(yuǎn)離，但關(guān)連零件很多，更改后不能保證完全解決ESD失效。且無論是修模還是更改FPC，模具或線路板設(shè)計更改較大，評估整改周期要三十天，不能滿足迫在眉睫的產(chǎn)品批量生產(chǎn)時間節(jié)點要求。所以我們只能另尋它法。

3.2 疏

實際EMC干擾整改案例中，最有效的“疏”方案是給ESD干擾點接數(shù)字地或模擬地。

從靜電路徑出發(fā)，不難看出鍍鉻環(huán)是結(jié)構(gòu)中很關(guān)鍵的一環(huán)，它是個導(dǎo)體且環(huán)繞產(chǎn)品表面一周，吸收產(chǎn)品表面的ESD干擾，使得ESD干擾對FPC觸摸信號線引線的最遠(yuǎn)距離也不超過二分之一的產(chǎn)品寬度。即：

L（ESD→FPC）≤1/2L（產(chǎn)品寬度）

這個設(shè)計相當(dāng)于將ESD實驗等效成了在距FPC（0～1/2L（產(chǎn)品寬度））范圍內(nèi)進行ESD實驗。大大降低了產(chǎn)品的ESD抗干擾能力。不過同時這設(shè)計也給解決本次ESD干擾問題帶來了便利。我們可以設(shè)計一根銅線，一頭連接鍍鉻環(huán)，另一頭連接線路板的模擬地（連接示意圖如下圖7所示）。

圖7 鍍鉻環(huán)接地示意圖

這樣ESD能量便在鍍鉻環(huán)這一節(jié)點直接“疏”地，繞過了后續(xù)到MCU上的路徑，因此也就避免了對電路的直接沖擊（整改后ESD路徑示意圖如下圖8所示）。

圖8 整改后外殼ESD路徑示意圖

ESD槍→鍍鉻環(huán)→縫隙→FPC→FPC連接器→采樣電阻→MCU→回地

經(jīng)過手工樣件整改，并在±25KV ESD空氣放電實驗后，LED顯示正常，觸摸功能不再失效，功能需求滿足I級，高于III級功能需求，所以實驗判定為通過。

4 結(jié)語

經(jīng)內(nèi)部ESD實驗驗證，設(shè)計變更后的產(chǎn)品實驗結(jié)果滿足接觸放電和空氣放電對應(yīng)等級下的功能需求。變更點為增加一個銅片和一根導(dǎo)線，線路板無變化。銅片和銅線都是現(xiàn)有產(chǎn)品的零件，無需重新開模修模，成本變化極小，工藝實現(xiàn)簡單。經(jīng)客戶同意后做出以上設(shè)計變更。

通過本次案例整改，我們對ESD干擾及有了更深一層次的理解。未來的新產(chǎn)品我們就會在產(chǎn)品設(shè)計前期，從產(chǎn)品整體外形出發(fā)，靈活應(yīng)用“堵”和“疏”兩種手段，為ESD干擾問題做出足夠的安全冗余設(shè)計。并綜合工藝和成本，做出最優(yōu)選擇，滿足產(chǎn)品性能。