一種汽車視頻控制器的ESD仿真分析

摘要：本文介紹了適用于汽車零部件的ESD聯合仿真方法，可以通過多級仿真軟件進行聯合仿真，準確高效的模擬實際靜電槍產生的波形和對測試零部件的干擾進行分析，并能快速找到失效原因和解決方案。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247462.htm

關鍵詞：ESD；靜電；電磁兼容；仿真；多級仿真

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.008

引言

當今時代科技發展日新月異，汽車周邊的電磁環境也越來越復雜，車載電子設備也日益增多，相應地也就帶來越來越多的電磁干擾問題。這對汽車電子零部件也提出了越來越高的電磁兼容（EMC）性能要求，同時它們的設計、測試和整改卻給整車研發時間和成本帶來了較大壓力。在產品設計階段引入EMC 仿真，結合過往汽車零部件的EMC測試數據和記錄，可以在設計早期發現EMC問題，為企業減少研發和測試成本，并能為整車的開發節省寶貴的時間。

汽車電子領域的電磁兼容測試分為輻射，抗擾，瞬態以及靜電放電測試。靜電放電測試是其中最為基本的一項測試，它模擬了由于汽車在不同的氣候和環境條件下人員可能會帶上非常高的靜電，這就會對車載電子設備造成很大的靜電放電沖擊。為了保證人員在使用車載電子設備時的可靠性和安全性，因此非常有必要對汽車電子零部件進行靜電放電測試。

本文主要介紹電磁兼容測試中的抗靜電能力（E S D）的評估分析和整改。具體失效問題為在正常上電工作模式下，當對視頻控制器附近的鍍鉻飾條釋放4kV的靜電時，靜電電壓會從控制器的螺絲固定點放電進入內部的PCB板，導致TFT屏幕異常閃爍，這會對售后造成用戶抱怨。解決問題的關鍵就是要知道靜電電流在PCB上是如何流動的，然后切斷靜電泄放通路或者減小流動的電流。本文后面會通過多級仿真軟件聯合仿真來進行ESD失效的仿真和實測分析。

實際的靜電測試分為三種工況：一種為零件處于上電狀態，靜電槍直接對著被測零件放電；第二種為零件處于上電狀態，靜電槍對著與被測零件相關的遠端線束放電；第三種為不上電狀態，模擬零件在生產過程中的搬運狀況。這里我們主要研究最容易出問題的上電狀態。

具體的上電模式的靜電放電測試方法為，在濕度溫度達到一定要求（23℃±3℃，濕度20%～40%）的屏蔽室內，將被測零件放置到墊有絕緣層的接地桌上接上電源及輔助設備保證其能正常工作，然后就可以用配備正確放電網絡的靜電槍對準被測零件表面或者與被測零件相關線束的遠端進行靜電放電測試。

了解清楚了實際的靜電放電測試是怎么做的，我們就可以有的放矢的對照著做仿真測試，相應的也要在仿真環境中建立靜電產生源—靜電槍模型，被測零件—提取相關電路，試驗環境—ESD臺架模型。

本視頻控制器的ESD仿真步驟包括：建立ESD靜電槍的仿真模型，搭建ESD測試臺架模型，提取幾何實物模型（PCB板相關電路的提取），然后利用PSpice等工具聯合仿真等幾個主要的步驟，下面將結合視頻控制器ESD問題進行具體分析。

1.1 靜電槍的仿真模型

市面上的靜電放電槍有很多種，但原理大同小異，主要由直流電壓發生器、充電電容、充電電阻、放電電阻、放電開關和放電頭組成。

那我們進行靜電測試仿真，首先第一步也是最關鍵的就是要建立ESD靜電槍的模型，并且確保放電網絡和波形能符合標準測試的要求。根據靜電槍的工作原理及電氣構造（如圖1），我們提取出靜電槍的電氣參數，然后使用仿真軟件建立ESD靜電槍的電路模型。

圖2和表1是我們在仿真軟件中建立的靜電槍的電氣原理圖和其相關的參數表。

然后通過仿真運行，得到靜電槍仿真模型模擬出的高壓靜電波形如圖3與圖4，與ISO 10605標準中規定的波形比較，完全符合標準要求。

1.2 ESD測試臺架模型

在建立好靜電槍模型后要仿真ESD問題，還必須建立ESD測試臺架的模型，才能更貼合實際的測試情況，仿真結果才準確。本文中是在仿真軟件里建立ESD測試臺架模型，然后使用時域Hybrid算法。

在仿真軟件中根據實際測試時對ESD臺架的要求，建立起地平面臺架，設置線束的材質、線徑、長度和走向，在線束的兩端建立兩個節點（或者是端口），將打開其中一個節點，在其模型中按照靜電槍的模型建立相關的電路和參數，在另外一個節點的模型中直接接地。此時ESD測試臺架模型設置完成。

圖6和圖7是ESD測試臺架仿真結果。

通過與實際測試波形圖（圖8）的對比，實測和仿真結果還是相當吻合的。

1.3 視頻控制器PCB板相關電路的提取

2 視頻控制器ESD干擾仿真

2.1 問題描述

具體失效現象為在正常上電工作模式下，當對視頻控制器附近的鍍鉻飾條釋放4kV的靜電，靜電電壓會從控制器的螺絲固定點放電進入內部的PCB板，TFT屏幕會異常閃爍或者顯示屏上會有瞬態的線條。

2.2 問題分析

根據實際的測試和調試結果來分析，此問題是在正常上電模式下，靜電從地進入了PCB，是地被干擾，進而影響了TFT屏幕顯示。靜電電流路徑是從螺絲固定點的接地處進入，在PCB板的地走了一圈后，從接插件的地管腳沿著地線泄放到接地平板。那么關鍵問題就是要分析靜電電流在PCB上是如何流動的。

產生顯示信號的源頭（MCU）出來的信號（3.3V）需通過走線—地的回路至TFT屏顯示，而靜電由PCB的地上流過，如果該地回路阻抗較大，靜電電流將引起瞬時電壓差，導致TFT端接收到的信號被干擾，圖14 信號源端與接收端的地上流過ESD電流，導致信號畸變。

將PCB端口模型導入ESD測試臺架中，建立完整的ESD臺架仿真模型。

圖19中R7之上的電路部分就是靜電槍模型，R7之下部分就是提取的被測電路模型，其中R5、R6是port3、port4、port5之間的仿真阻抗，L3是接地線束的等效模型。R7（就是仿真結果中的R）是螺絲固定點與PCB板地之間的隔離阻抗。仿真求解的結果如圖20。

通過仿真發現，當隔離阻抗增大至1kΩ時， ESD下的電壓波動降低至7V左右，仍然會對視頻信號造成影響；當隔離阻抗增大至100kΩ時，ESD下的電壓波動降低至10mV左右，將不會對視頻信號造成影響。通過仿真可以非常方便快速的調整參數值，然后觀察到整改會帶來的效果，非常便捷。

實際整改措施，隔離P CB上的導電螺栓與PCB電路地（阻抗約10MΩ），ESD放電不會影響視頻信號。

3 結論

采用電磁兼容仿真軟件，可以在復雜的整車環境中對測試模塊進行良好的建模仿真分析，并可以高效準確的找到失效問題點和整改方案，為項目開發節省更多的時間和成本。

參考文獻：

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