汽車空調面板LCD花屏故障分析及優化方案

張立新，黃慶達，肖 丹，楊通亮，郭慶鐵

（溫州長江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325000）

隨著汽車電子技術的快速發展，人機交互功能越來越成為車載智能控制系統不可或缺的部分。然而由于汽車的產品屬性決定了汽車電子零件具有嚴苛的試驗條件和復雜的實際使用環境，因此對更加集成化和模塊化的車載電子產品的安全性、可靠性提出了更高的挑戰。同時，由于車載人機交互系統需要面向乘員的頻繁操作，有著高電位、強電場、瞬時大電流特點的人體靜電放電 （Electro-Static discharge，ESD）會對半導體芯片造成各種干擾甚至是不可逆的損傷［1］，是汽車電子產品設計中不可忽視的重要問題。本文對ESD問題的危害以及防護原則進行了探討。

1 ESD的危害

ESD的實質就是電荷轉移，由具有不同靜電電位的物體直接接觸或者相互靠近引起的［2］。

ESD的放電時間極短、且瞬時電流極大，因而對車載電子產品的電路系統形成巨大的破壞。ESD危害電子設備途徑包括：放電輻射、靜電感應、電磁感應和傳導耦合等［3］。

2 ESD的防護設計

從靜電感應理論可知，最可能發生靜電放電的部位即為暴露在外部的導電部件或者是相鄰導電部件［4］。

對于電子產品設備的ESD防護，可以從3個方面考慮［1］：①控制靜電的起電量和電荷積聚，防止靜電的形成，即抑制ESD的產生；②使用靜電感度低的材料，降低電子設備工作場所的危險程度；③采用綜合防護加固技術，阻止ESD能量耦合。

因此，針對汽車上的LCD空調面板產品的ESD防護措施主要有以下3個要點［3，5］。

1）LCD的設計：在LCD電路中設計屏蔽線進行屏蔽設計、靜電搭鐵設計、屏蔽功能搭鐵設計、以及增大I／O端口的分布電感等。

2）電路設計及PCB設計：通過合理的電路布局以及PCB的布線和安裝，起到良好的ESD防護效果。

3）結構部件設計：增加結構靜電防護零件，如上下鐵框、導電銅箔、屏蔽罩、絕緣膠布等，其實質就是采用“堵靜電”或者“導靜電”的方式。

以上3種方式各有其優缺點，進行LCD空調面板的ESD防護設計時，根據不同面板的產品特性，可以采取單個措施也可以多個措施一同選用。其中LCD設計和電路設計以及PCB設計主要是從面板的設計源頭上進行ESD防護規避，但后期整改周期長成本高，而結構部件設計則常用于后期進行產品的整改。

3 實例分析

某款SUV車型空調面板AUDIT車在環境溫度0℃左右，用手按LCD屏時，LCD屏出現花屏，即圖1中白色邊框。

圖1 LCD花屏故障

3.1 對故障件的LCD屏失效原因進行排查

1）將故障件通上電，按壓LCD屏，未出現花屏。

2）故障件放入低溫-10℃，放置4h，按壓LCD屏，未出現花屏。

3）拍攝X光，樣件內部靜電釋放回路，連接正常，如圖2所示。

圖2 內部靜電釋放回路圖

4）對故障件進行接觸放電測試，見表1。

表1 接觸放電測試結果

5）對照客戶EMC測試標準分析，見表2。

表2 客戶EMC測試標準

狀態等級說明：①狀態A：施加干擾過程中及過程后，功能應滿足設計要求 （允許在設計容差范圍內）。②狀態B：施加干擾過程中功能應滿足設計要求，但允許超過限值或公差要求，移除干擾后，功能自動恢復到正常狀態，存儲記憶功能應滿足功能等級A的要求。③狀態C：施加干擾過程中，允許功能偏離設計要求，移除干擾后，功能自動恢復到正常狀態，存儲記憶功能應滿足功能等級A的要求。

由客戶EMC測試標準可知，產品在±8kV接觸放電條件時，允許產品狀態功能為C等級，滿足測試要求。在實際應用中花屏現象可能是由人體帶靜電超過±8kV，按壓LCD屏時對屏放電，導致LCD屏花屏。這是因為在不同濕度條件下，人體活動產生的靜電電位有所不同，在寒冷干燥的季節里，人體靜電可達幾千伏甚至上萬伏。

6）拆除故障件分析，按壓時LCD屏與周圍結構無干涉，排除因按壓之后LENS接觸到LCD屏的機械干涉導致LCD屏出現顯示屏的邊框。

綜合分析，產品功能正常，且滿足客戶設計要求和試驗標準；閃現花屏是由于在低溫下，人體易帶靜電 （人體帶電與空氣干燥程度和衣服材料有強相關性），導致按壓空調面板旋鈕LCD屏時，對屏幕釋放靜電導致花屏現象。

3.2 優化方案及驗證

經過上述分析，LCD屏閃現花屏是由于人體帶靜電導致，為改善空調面板上LCD出現的花屏現象，提升產品的用戶體驗，遵循ESD防護設計原則，同時考慮成本最優理念，采取以下優化措施來解決LCD花屏問題。

因為空調面板滿足設計要求且通過客戶的ESD測試試驗，并且從LCD的設計、電路設計、PCB設計上優化改善的話，時間周期長，成本高。另一方面，LCD位于編碼器內部且可視范圍大，且LENS和LCD屏間距非常小，僅為0.05mm，再加上編碼器內部機構的局限性，導致設計不能支持LCD屏上表面加導電布和鐵框。

所以根據該空調面板LCD屏的產品實際，采用另一種“導”的方案。

1）在LCD屏上加雙面ITO，同時在FPC連接器處搭鐵：LCD屏雙面加銦錫氧化物半導體透明導電膜 （Indium Tin Oxides，ITO，具有良好的導電性和透明性，厚度納米級，透光率達90%以上），同時將FPC改為雙層，增加一層獨立的搭鐵層，如圖3、圖4所示。

圖3 ITO+FPC搭鐵方案示意圖

圖4 LCD增加ITO示意圖

2）增加放電面積，把放電的鐵片改為鐵圈，如圖5所示。

圖5 放電鐵片改為鐵圈示意圖

3）優化方案驗證。ESD測試結果，合格，見表3。

表3 ESD測試結果

人體產生的靜電量受環境因素及個人體質影響，最終結果可能各不相同，可以從幾千伏到幾萬伏；人體的帶電一般需要在干燥的環境下經歷累積過程，當人體靜電積累到一定程度，按壓LENS時，才會對LCD屏釋放靜電，故出現花屏現象屬于概率事件。

當人體對LCD屏釋放靜電后，靜電會慢慢通過PCB GND釋放，最終花屏現象消失。人體靜電釋放完之后，按LCD屏不會花屏，且短期內也不會產生高壓靜電，人體靜電損壞ESD的風險極低。

4 結論

ESD在汽車電子產品中是一個難以繞過的話題，尤其是前期按主機廠ESD標準要求，不存在品質問題，只有在特定條件下，才出現的故障現象，本文就是一個很好的例子。所以滿足測試標準并不是評判產品性能的唯一標準，還需考慮更多實際的使用因素以應對汽車復雜的使用環境和多樣化使用條件。建議設計人員在開發初期應綜合考慮產品結構、零件材料以及電子元器件等因素，結合實際使用方式，靈活運用，以確保和提高ESD要求，才能使產品在使用中經得起任何環境變化的考驗。