空調控制面板關鍵控制要素研究

2019-06-26 06:27:50于美玲岳偉濤冀俊明

汽車電器 2019年6期

李娜，于美玲，劉萌，岳偉濤，吳巍，冀俊明，王磊

（長安汽車股份有限公司北京研究院，北京 102200）

隨著社會經濟的發展，汽車在中國越來越普及，已成為人們生活中不可或缺的交通和運輸工具。然而，隨著汽車保有量的上升，汽車不僅僅作為一個代步工具，人們更多追求的是汽車舒適感，對品質感的要求逐步提高與重視。為了更好地提升品質感，對于空調控制面板不僅僅是功能實現，還分別從材料應用、燈光應用、外觀、軟硬件等方面進行了詳細對比與研究，總結了詳細的設計規范以使空調控制面板品質感大幅度提升。

1 空調控制面板關鍵控制要求

空調控制面板構成如圖1所示，關鍵控制要素維度如圖2所示。

1.1 材料構成及特性

1）按鍵類：PC／ABS

圖1 空調控制面板構成

圖2 空調控制面板關鍵控制要素維度

PC／ABS集成了PC和ABS的綜合特性，既具備PC樹脂的優良耐熱耐候性、尺寸穩定性和耐沖擊性能，又具備ABS樹脂優化的加工流動性，且剛性好、沖擊強度高、耐熱、耐低溫、耐化學藥品性、機械強度和電氣性能優化，易于加工、加工尺寸穩定性和表面光澤好、容易涂裝、著色，還可以進行噴涂金屬、電鍍等加工，所以可以應用于空調控制面板，應用在薄壁及復雜形狀制品。但ABS不透明，而空調控制面板按鍵標識需要有透光要求，所以利用PC材料是無色透明的特性，增加PC料作為按鍵的蓋板，使LED背景光具有良好的透光表現。

2）后蓋：ABS

加工流動性，且剛性好、沖擊強度高、耐熱、耐低溫、耐化學藥品性、機械強度和電氣性能優化，易于加工、加工尺寸穩定性和表面光澤好。

3）指示燈導光條：PC、PMMA

對于指示燈導光條的材料構成，PMMA的透光度高于PC，但汽車空調控制面板上應用于哪種材料要看安裝后整體背景光是否能達到統一效果進行調試而定。

4）PCB板材料：FR-4

一種耐燃材料，是樹脂材料經過燃燒狀態必須能夠自行熄滅的一種材料規格，既是材料名稱，也是材料等級，為玻璃纖維板，有絕緣的作用，特點：電絕緣性能穩定，平整度好、表面光滑、無凹坑，厚度公差標準，適合應用于高性能電子絕緣要求的產品。

1.2 表面處理工藝

表面處理工藝分為：噴漆鐳雕、IMD、雙色注塑、鍍鉻。

1）噴漆鐳雕應用于早期空調控制面板的表面處理，將按鍵表面噴涂黑漆后，再鐳雕出各標識字符。其存在表面易劃傷、表面暗淡等缺點，現在已經逐漸不再使用。如圖3所示。

圖3 噴漆鐳雕

2）IMD工藝產品表面薄膜去掉，只留下油墨在產品表面即模內轉印注塑。其工藝非常顯著的特點是：表面是一層硬涂層，中間是印刷圖案層，背面是塑膠層，由于油墨夾在中間，可使產品防止表面被刮花和耐摩擦，并可長期保持顏色的鮮明不易褪色。現在已經常規應用于LCD屏的表面處理工藝。如圖4所示。

圖4 IMD工藝

3）雙色注塑+UV固化工藝表面需開2套模具（外層透明內層黑色）。黑色層在字符位置做鏤空，字符圖標做在柔性電路板上，貼在黑色層下方。雙色注塑的優點是不易混光，原因為IMD工藝的字符在顏色圖案層，LED在粘合劑與塑膠層的下面。粘合劑與塑膠層是透明的，就相當于光源經過一層透明介質然后再照到字符上。如果光源與光源之間距離太近，經過這層透明介質時就有混光的風險，導致照到字符上的顏色就是混合之后的。而雙色注塑是字符層緊貼光源，中間沒有這個粘合劑和塑膠構成的透明層，就不易混光。如圖5所示。

4）鍍鉻一般應用于旋鈕裝飾圈及面板裝飾條處，分為真空鍍和水鍍真空電鍍的做法，做出來的產品金屬感強、亮度高，并且相對其他的鍍膜法來說，成本較低，對環境的污染小，而真空電鍍可達200℃左右，這對使用在高溫的部件就可以進行電鍍處理了；做真空電鍍都要在最后噴一層UV油，這樣使得產品表面既有光澤，又耐高溫，同時又保證附著力。但真空鍍膜的黏附性比較差，容易脫落，真空電鍍的膜厚一般為0.5～2μm。

水電鍍鍍鉻優點：水電鍍的膜厚比真空電鍍的厚，水電鍍膜厚一般為15～20μm，水電鍍因工藝較簡單，從而被廣泛應用。缺點：只能鍍ABS料和ABS+PC料。水電鍍一般的鍍層材質采用“六價鉻”，這是非環保材料。對于“六價鉻”有如下的要求：歐盟：ROHS：＜1 000 ppm；76／769／EEC：禁止使用；94／62／EC：＜100 ppm。如此嚴格的要求，目前已經開始嘗試使用“三價鉻”來替代“六價鉻”。但水電鍍容易對周圍電器電路產生EMC干擾，需要面板上設計EMC防干擾措施。真空鍍和水鍍表面效果一致，如圖6所示。

圖5 雙色注塑+UV固化工藝

圖6 真空鍍和水鍍表面效果一致

1.3 結構構成

對于空調控制面板的結構構成最關鍵的兩點在于防水及LCD屏的防靜電設計，現介紹幾種結構如下。

1.3.1 防水結構

控制面板要做到IPX2的水平，即要防止濺水，紅色箭頭為濺水后水流方向均有隔板擋水，確保水無法進入PCB板。如圖7所示。

1.3.2 LCD屏防靜電結構

兩側用搭鐵彈簧連搭鐵將靜電導出，舉例如圖8所示；用靜電防護罩防止靜電的產生，如圖9所示。方案不做限制，有效的防靜電方案即可。

設計要點：①設計靜電防護罩，與PCB搭鐵線相連起到靜電保護作用；②靜電防護罩包覆顯示屏周圈2 mm，規避LCD屏漏光的風險；③潰縮結構：根據乘用車GB 11552-2009內部凸出物法規要求，空調控制面板靠兩種方式達成，一種是旋鈕高度不高于9 mm，另一種是內部設計潰縮結構，如圖10所示。

圖7 防水結構

圖8 搭鐵彈簧連地將靜電導出

圖9 靜電防護罩防止靜電的產生

1.4 按鍵力、晃動量、間隙的要求

1.4.1 空調面板按鍵力

需關注開關操作力，接觸點作用力及開關行程、開關導通行程、操作力行程等，如圖11所示。

圖10 潰縮結構

圖11 空調面板按鍵力

1）開關操作力開關按鈕從正常狀態開始，操作按鈕至操作力為最大時，對應的操作力為開關操作力，見圖11的FP。

2）接觸點作用力按鈕從正常狀態開始，操作按鈕至開關動觸點剛好與靜觸點接觸，對應的操作力為接觸點作用力，見圖11的FC。

3）最小回彈力結束操作按鈕開關并釋放按鈕后，開關按鈕最小的回彈力即為最小回彈力，見圖11的R點，對應的操作力為FR。

4）開關行程按鈕從正常狀態開始，操作按鈕運動至終點S，按鈕運動行程為開關行程，見圖11的SS。

5）開關導通行程按鈕從正常狀態開始，操作按鈕至動觸點剛好與靜觸點接觸，對應Fc點按鈕運動行程為開關導通行程，見圖11的Sc。

6）操作力行程按鈕從正常狀態開始，操作按鈕至操作力FP時，按鈕運動行程為操作力行程，見圖11的SP。

7）接觸電阻開關動觸點與靜觸點接觸后，觸點間的接觸電阻值。

8）操作力變化率ΔF ΔF=（FP-Fc）／FP。

1.4.2 間隙要求

各車的級別不同，間隙要求也不同，一般推薦值見表1。

表1 不同級別車間隙要求

1.4.3 晃動量

沿垂直于按鈕運動方向施加10±3 N力，測試按鈕沿施加力的方向偏移距離，該距離值即為晃動量。最大允許晃動量：0.15 mm。

2 背景光及氣味要求

為提升面板品質，需對空調面板的VOC及氣味等級做出明確要求。對于工作指示燈及背景光要對具體顏色、光強和顏色坐標值及公差范圍做出明確要求，以便整車燈光色彩保持高度的一致。

VOC要求見表2。

表2 VOC要求

氣味要求：氣味等級要求可依據對標結果確定，一般要求可察覺，但不可有刺激性氣味。

背景光要求維度見表3。

表3 背景光要求維度

3 硬件保護電路及EMC電路設計

3.1 硬件電路設計

要重點考慮保護措施，如防過壓、過流及反接等問題。如圖12所示。

電路說明如下。

1）ESD防護電路 SMCJ30CA起到靜電防護的作用，其內部結構等效于2只相對或相背串接的穩壓二極管組成，反向關斷電壓為30 V，最小擊穿電壓為33.3 V，瞬間吸收功率為1.5 kW，以P秒級的反應速度瞬間起到分流限壓作用，以保護后級負載不受靜電及尖峰電涌帶來的損害，滿足設計后級電路的設計需求。

2）極性保護電路二極管為輸入電壓反接保護，型號為MRA4007T3G，該二極管的正向電流為1 A，峰值電流為30 A，最大的反向電壓為1 kV，最大正向壓降為1.1 V，可以有效預防因電源反接而損傷器件，性能參數滿足設計需求。

3）濾波電路高低頻電容可分別有效性濾除外來高頻干擾信號及電源本身經整流后的高次紋波帶來的影響。

圖12 硬件電路設計

3.2 EMC回路設計（圖13）要點

1）電源輸入端口并聯TVS管及高耐壓電容進行防護，LIN信號端口并聯TVS管進行防護，TVS管應盡量靠近插接件端口放置。

2）電路布局以每個單元電路的核心元件為中心，圍繞核心元件進行布局，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

圖13 EMC回路設計

3）芯片與芯片之間的距離盡量小，并做到共地處理。

4）集成電路空置引腳進行搭鐵處理，避免空置引腳受外部干擾。

5）集成電路供電使用π型濾波，π型濾波兩端搭鐵進行隔離。

6）電源線和搭鐵線盡可能靠近，兩電源之間、兩搭鐵線之間盡可能寬。

7）相鄰兩層走線盡量垂直、走斜線、交叉布線，避免相互平行。

8）輸入與輸出信號線應盡量避免相鄰平行走線，導線間添加中間搭鐵線，以免發生反饋耦合。

9）線路板搭鐵線需完整，通過過孔的方式連接不同層的地平面，加大地平面面積。

3.3 軟件開發關鍵點

1）開發流程軟件開發輸入、設計、測試各環節不可少，一般軟件開發采用V型開發流程，如圖14所示。

2）軟件構架組成空調系統一般通過檢測控制面板按鍵和編碼器信息，實時地把本地狀態通過LIN總線或CAN總線信息反饋給主節點空調控制器，同時接收主節點空調控制器反饋過來的指示燈信號、液晶顯示信號，驅動本地指示燈和液晶屏，液晶屏根據背光輸入信號，顯示亮度可分為白天和夜晚模式。軟件構架如圖15所示，一般分為底層、物理層和應用層。