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0 引言

随着汽车工业的不断发展，人们不仅关注机动车的动力和外观，机动车的内饰部分也逐渐成为消费者选择机动车的重要指标。然而在机动车内饰中，机动车仪表的造型和风格直接影响着消费者的驾驶心情。当司机坐进机动车座舱，首先面对的就是机动车仪表。机动车仪表是机动车信息的主要显示界面，它提供了车速、转速、油量、水温、报警灯等重要信息。整车厂一致认为机动车仪表是级别较高的机动车零部件，属于安全件的范畴，其反馈的正确与否直接影响到驾驶安全。因此机动车仪表在车辆行驶过程中必须工作正常，并能抵抗各种电磁干扰。

在很长一段时间里，炮筒式机动车仪表成为消费者的亲睐对象。整车厂为了吸引消费者，将自家的机动车仪表的造型和风格都定义成炮筒式，为了增强立体效果，在炮筒的正面镶嵌电镀圈，使得机动车仪表更加美观。然而随着炮筒式机动车仪表电镀圈的增加，对于机动车仪表的电磁兼容性却是增加了很大的挑战，特别是静电放电试验，逐渐成为炮筒式机动车仪表设计和测试的关注重点。

本文用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator)模拟实际项目中仪表电镀环以及电镀环与仪表电路板相对位置，并进行仿真分析。通过比较仿真结果和实测结果，证明了该方法的正确性，最终通过分析机动车仪表在静电试验产生的电磁场，给出电磁兼容静电设计和测试合理的建议。

1 静电放电要求

ISO 10605-2008对应GB/T 19951-2005是关于道路车辆静电放电产生的电骚扰试验方法。在GB/T 19951-2005中，对电子模块的试验规定：直接接触放电端安装在ESD模拟器上，并对可触及的放电点直接接触放电试验，试验电压采用表1规定的接触放电电压等级。空气放电端安装在ESD模拟器上，距离被试设备至少15 mm。放电端垂直（±15°）对准放电位置，以速度不大于5 mm/s缓慢靠近，直至放电。按照图1中空气放电电压等级测试各点。如无放电产生，则继续移动放电端直至放电端与放电点接触。如仍无放电产生，则此位置及此电压等级下的试验停止。由于整车厂的静电放电标准是建立在ISO 10605-2008基础之上，因此要求大同小异，在此不展开细说。

表1 电子模块（通电运行）试验严酷程度等级

根据ISO 10605-2008或GB/T 19951-2005对电子模块的静电放电要求以及各整车厂的静电放电要求，当炮筒式机动车仪表正面的电镀圈没有被机动车仪表玻璃罩保护时，必须对炮筒的电镀圈进行接触放电和空气放电。

2 静电放电试验本质

由经验知，在静电放电试验过程中，当静电释放在炮筒的电镀圈时，机动车仪表会存在两种比较典型的失效现象：

1）机动车仪表的液晶显示屏（LCD）花屏，特别是针对电磁兼容抗扰性较差的低端断码屏和点阵屏。

2）机动车仪表重启，也就是所谓的Reset现象。

先从静电放电的测试本质来研究，如图1（来源于Ford FMC 1278）所示，在进行静电放电时，需要将静电枪的接地线接至参考地。受试设备放置在50 mm绝缘材料上。如果受试设备是在整车中需要接地，则需要用铜编织带连接受试设备与参考地。静电枪头放电至受试设备上可能会被手触摸到的部位或垂直/水平耦合板（具体的放电测试点会在电子零部件的测试计划中有所体现）。

图1 静电放电的试验图（通电运行）

静电放电试验从标准上看是一种电压的测试，但实际上是一种电流的测试。因为根据欧姆定律，有电压和阻抗，必然产生电流。静电放电试验是一种以共模为主的抗扰试验，静电放电的电流最终会流向参考地。因此分析静电放电电流的路径和电流大小具有非常重要的意义。如果静电放电路径经过受试设备内部电路，受试设备受静电放电影响就会很大。防静电放电设计的根本就是要避免静电放电的电流流过受试设备的内部电路。

从炮筒式机动车仪表的结构观察，炮筒的电镀圈距离PCB约10 cm，且与PCB没有物理接触。很多电磁兼容工程师很难理解没有放电到PCB却会产生的失效现象。很难用静电放电的试验本质来解释这个问题，因为一个重要的概念 — 电磁场一直被忽略。静电放电的试验本质是来自共模电流的干扰，而共模电流还会伴随瞬态电磁场的产生。

3 电磁场原理

在静电场中，当电荷在电场中某一位置上，会受到电场力的作用，该位置具有一定的电场强度。电场中某一点的电场强度的大小与产生电场的电荷q成正比，与该点距离源电荷的距离平方成反比。为了正确反映电场强度的性质，物理学中定义了电场强度，用E表示，即静电场中某一点的电场强度在量值上等于单位正电荷在该点所受到的电场力。

从静电场的电场强度去分析，炮筒式机动车仪表的结构决定，当静电枪向炮筒的电镀圈施加静电时，在炮筒的电镀圈上连续分布着电荷，从而产生一个电场，因此在机动车仪表PCB处会有一个电场强度E。

中国和东南亚，自古有着密切的文化联系。在体育交往上，早在东汉永宁元年(公元120年)，就有缅甸(掸国)国王雍由调派遣使臣带乐队和杂技演员(幻人)到洛阳表演，一时轰动京城的历史记载[1]。公元187年，广西梧州人士燮就任越南(交趾)太守，广开学校，促使“交趾成了通诗书、习礼乐的文献之邦”[2]。其中的礼，有射礼；乐，有乐舞。

如图2，假设炮筒式机动车仪表的电镀圈的半径为R，电镀圈均匀带有电荷q，电镀圈近似为细圆环，则其上的电荷密度为q/2近似，则P点的电场强度为

其中ε0是真空的介电常数

图2 电镀圈产生的电场强度

在运动电荷的周围，不仅存在电场，而且还存在着磁场。根据毕奥-萨伐尔定律的应用，可以求得环形载流导线中心的磁感应强度。

如图3，假设炮筒式机动车仪表的电镀圈的半径为r，电流为I的圆环形电流，则电镀圈圆心处的磁感应强度为

图3 电镀圈圆心的磁感应强度（x方向垂直于圆）

4 HFSS实例仿真

使用HFSS软件进行仿真设计，模拟实际在炮筒式仪表盘电镀圈上静电放电试验，建模如图4所示。

在机动车仪表芯片工作范围内，对该模型进行电磁仿真。在机动车仪表电镀圈静电放电，在电镀圈周围以及电镀圈下方仪表电路板上面仿真出的电场分布如图5所示。场强由红色区域向蓝色区域逐渐减小，激励源附近电场强度最强，同时静电传导到电镀环后，电镀环又作为源向下方电路板辐射电场。

图5 电镀环系统结构的静电电场分布

5 结语

从电场的角度分析，可以得出，电场强度与电镀圈的半径以及电镀圈到PCB的距离成反比。

炮筒式机动车仪表在静电放电试验过程中，不仅存在共模电流的传导干扰，当对炮筒式机动车仪表正面的电镀圈进行接触放电和空气放电时，共模电流在电镀圈周围形成电磁场，从空间上对PCB形成耦合干扰。

因此，对炮筒式机动车仪表正面的电镀圈进行接触放电和空气放电是电磁兼容测试中一项重要指标。具体放电点需要机动车仪表供应商与整车厂的电磁兼容工程师共同探讨选取。

对于静电释放在炮筒的电镀圈时，机动车仪表会存在两种比较典型的失效现象的应对方案：

（1）机动车仪表的LCD花屏，特别是针对电磁兼容抗扰性较差的低端断码屏和点阵屏。

建议在LCD的引脚处预留滤波电路；选择电磁兼容抗扰性较好的断码屏和点阵屏。

（2）机动车仪表重启，也就是所谓的Reset现象。

建议在Reset信号线上预留去耦电容；并在设计时，注意Reset信号的走线，尽量避开电镀圈敏感区域。

对于机动车仪表中的一些重要且敏感信号要尽量避免从电镀圈区域走线，若一定要从电镀圈区域走线，要注意在电磁兼容设计时，预留保护措施，以应对在静电放电试验中电镀圈周围产生的电磁场耦合干扰。

本文是基于一个可分析的相对理想模型，从电场和磁场的角度进行研究。在实际的工程运用中，还存在一些不确定的因素，这都需要在今后的工作中进一步研究。

[1]International Organization for Standardization. ISO 10605-2008 Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge[S].Switzerland：ISO copyright office, 2008.

[2]International Organization for Standardization. ISO 10605-2001 Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge[S].Switzerland：ISO copyright office, 2001.

[3]中国汽车技术研究中心.GB/T 19951-2005-T道路车辆-静电放电产生的电骚扰试验方法[S].北京：中国标准出版社，2005.

[4]日产自动车株式会社NES委员会.28401NDS02_6EMC SPECIFICATIONS OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC PARTS[S].横滨：日产自动车株式会社，2013.

[5]郑军奇.EMC电磁兼容测试与案例分析，2版[M]北京：电子工业出版社，2010.

[6]高等专科学校试用教材编委会.物理学，2版[M]上海：上海科学技术出版社，2001.

[7]沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术[M].北京：中国电力出版社，1999.

[8]周海英，陈浩.均匀带电细圆环的电场的一般分布[J].大学物理，2004，23（9）：23-32.

[9]李明洋.HFSS应用详解 电磁仿真设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.