ESD导致空调控制面板控制失效问题分析与解决方法

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问题描述

某款SUV车型售后反馈前空调功能异常9例，经初步排查，失效原因均为前空调控制面板失灵，其中仅风量旋钮失效4例，风量旋钮及所有按键失效5例。

故障排查

前空调控制路径如图1所示，通过操作CD机或空调控制面板上的旋钮／按键对空调控制器发出控制命令，空调控制器再根据控制命令对前空调进行控制。为确定前空调功能异常失效部位，我们对故障车进行了控制功能检查，发现虽然前空调控制面板失灵不能实现对前空调的控制，但CD机显示屏上按键可对前空调进行控制。由此可初步判定故障发生在前空调控制面板到空调控制器之间。

进一步，通过对电路连接路径及故障件失效分析发现所有功能失效都是空调控制面板内部的MCU自身部分引脚与地引脚之间被击穿短路造成。疑似MCU电路中窜入了浪涌电压。前空调控制面板到空调控制器之间的电路示意图如图2所示。

同时我们还注意到所有售后失效分布存在共同点，即地域上，所有失效均发生在中国北纬36～49度之间，如仅内蒙古境内失效占比达到33％；时间上，所有失效均发生在1～3月，如仅1月失效占比达到156％。此共同点正好符合了严酷ESD 现象的发生条件。

综合失效机理与失效分布，初步怀疑存在静电浪涌电压串入到MCU端，造成了MCU引脚击穿，从而引发空调功能失效。

为验证失效是否为ESD干扰导致，我们对前空调控制面板进行了人体ESD测试，测试参数如表1所示。

我们选取了故障修复件3件，正常产线件5件作为实验对象，按照表1中参数测试的结果为：两种样件均出现了失效，且失效结果为MCU 内部短路，失效现象与售后产品失效 现象一致。因此可得出前空调控制面板抗ESD能力差，且ESD击穿MCU为前空调功能失效的原因。

失效机理分析

经接口电路审查发现，前空调控制面板接口电路已进行了ESD防护，如电源模块在靠近接插件端并联了TVS管用来抵御浪涌电压，电路示意图见图3。这与前空调控制面板E SD 抗扰能力差存在一定的理论冲突，除非是存在TVS管等ESD 防护元件失效或ESD干扰通过其他途径进入到了前空调控制面板电路中，而非通过接口电路。

通过对故障件接口电路TVS管等防护原件的检查发现，这些防护原件并未损坏且可以起到浪涌电压泄放功能。

为进一步探究其他ESD干扰途径存在的可能性，我们对前空调控制面板单体E SD 放电点及对应失效现象进行了梳理。并发现：所有失效基本集中发生在前空调控制面板的两个位置被静电枪干扰时，如图4所示。且ESD打在静电引入点1附近时对应的失效现象是面板所有功能失效，而ESD 打在静 电引入点2附近时对应的失效现象是风量旋钮失效。

基于上述现象结合PCB布局及MCU失效机理分析，我们得出了如图5的ESD能量传递路径。

因ESD具有选择电位相对低的导体进行电荷泄放的特性，此问题中的空调控制面板及旋钮上的镀铬装饰条与PCB间的寄生电容C2降低了放电点到PCB的等效阻抗。其能量传递原理为：ESD浪涌电压通过放电点与镀铬装饰条间的寄生电容C1传递到装饰条上，再经过C2传递到PCB上，之后通过PCB布线由电源、按键、复位电路直接传导到MCU上造成了MCU不同引脚对地短路。

基于上述我们可以得出结论，此空调控制面板失效问题的真因为ESD浪涌电压通过镀铬装饰条直接进入到PCB内部，并造成了MCU引脚高压击穿。

问题解决

针对此空调控制面板失效问题可通过改变ESD浪涌电压到MCU的泄放路径来解决。考虑到ESD保护要求防护元件具有快速泄放静电的能力，且在静电泄放过程中保护结构不会被损伤，使用TVS管和RC滤波电路双重防护将起到良好的ESD防护作用，具体方案如下：

---旋钮、按键镀铬装饰条优化

对旋钮及按键镀铬装饰条接近PCB端进行阻镀处理，降低寄生电容，如下图所示：

---电路防护及疏导优化

在MCU和风量旋钮对应引脚之间添加限流电阻和TVS管，在按键与MCU对应引脚的电路之间增加RC滤波和TVS管，在MCU电源模块的5V电源端增加较大电容，下图所示。

针对整改样件，我们选取5个样本采用前面表1中的参数重新进行了ESD测试，5个测试样品均合格，未出现MCU对地短路问题，如下表2。之后我们跟踪了售后市场1个冬季也未出现前空调控制面板ESD失效问题。整改方案有效。

本文从实际售后问题出发，通过对ESD干扰发生机理及传递途径分析，明确了某汽车空调控制面板ESD异常损坏的真因。并对问题产生的原因提出了有效的整改方案，同时验证了整改方案的有效性。

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