系統級靜電仿真到底能做到什么程度

一、前言 

靜電放電（Electrostatic Discharge, ESD）現象是造成現代電子設備故障和可靠性下降的重要因素。隨著半導體工藝尺寸的不斷縮小和電子設備集成度的持續提高，靜電放電（ESD）已成為影響電子設備可靠性的關鍵因素之一。根據ESD協會的統計數據顯示，在電子設備現場失效案例中，約35%-40%可歸因于ESD事件（Voldman, 2018）。傳統的ESD測試依賴物理實驗，成本高且周期長，而仿真技術可顯著提高設計效率。

那么，大家可能都有一個疑問，系統級靜電仿真難不難？準不準？

我們認為當前行業發展階段還是非常難的！因為作為EMC工程師或硬件開發人員，對仿真的預期還是比較高的：

1、想要通過仿真復現測試中出現的問題；

2、想要通過在設計階段仿真能夠預測產品能不能通過ESD測試標準；對于這種預期，看一些仿真軟件的宣傳好像能做到，但實際卻是非常艱巨。首先如果只仿真局部電路是無法模擬靜電測試的狀態的，而要分析整個設備系統，建模精細度及仿真工作站硬件決定了仿真的準確度。想要達到上面的期望，可能不僅僅是企業本身的投入，還包括上游產業鏈的支持，比如元器件廠家、連接器廠家能否提供仿真模型，不然巧婦也難為無米之炊啊！當前行業發展現狀搞一個大而全的模型仿真是不太現實的，需要付出很大的代價，并且仿真周期也會很長，很難趕上項目的開發交期。

和我們之前寫的浪涌仿真類似， ESD仿真也是只需要關注的關鍵電路或結構就可以了，以盡可能簡單的仿真模型獲取到我們想要驗證的措施。這樣就要求仿真工程師要足夠了解產品，仿真工程師必須有EMC設計整改經驗，如果只是專門做電磁仿真的工程師是不太可能仿得到有效結果。

二、仿真建模

靜電仿真工具常用的有如下幾種仿真工具，下面用CST軟件仿真來講解靜電仿真的思路。

首先是靜電槍的建模，靜電槍模型很多仿真軟件都要自己建，但是CST2023版軟件內部已經建好了靜電槍模型，只要調入即可。

下面驗證一下這個靜電槍模型輸出波形，仿真得到的靜電波形曲線如下，按照靜電6KV接觸放電的等級，對比GBT17626.2 等級3要求，第一個峰值、30ns、60ns 基本在標準規定的誤差范圍內，說明模型可用。

但總體來看還是建立靜電槍模型最（）接近真實測試模擬，優點主要有以下兩點：

1、靜電槍體及電路能和被測EUT形成回路更接近真實測試狀態；

2、槍體干擾的影響能夠體現，做過靜電整改的同學可能都清楚，靜電槍的槍體產生的干擾也是非常大的，不能被忽略，如下圖槍體干擾場還是非常強的；

下圖圖示就是一個完整的靜電仿真系統模型，建模思路：首先給設備增加一層足夠大的金屬平面，用于模擬靜電桌測試臺的水平耦合板HCP，再在上面增加橡膠絕緣墊，靜電槍直接接觸注入的測試點，產品的機殼及內部單板及單板上的阻容類器件模型可直接導入進行仿真，根據工作站計算能力適當進行簡化，影響不大的部件可以刪除。

靜電仿真一般考慮三個觀察點：表面電流(Surface Current)、近場(E-Field)、信號網絡的電壓(Voltages)

1、表面電流(Surface Current)：重點可以觀察結構表面的靜電電流流向，靜電電流是否流過敏感電路或模塊區域，指導設計中進行結構調整。

三、仿真精度驗證

對于靜電測試中產品的表面電流及近場精確分布，目前沒有儀器和工具能夠準確測量，國外有一些用屏蔽箱屏蔽測量儀器，用場探頭測量的方式。國內也有通過近場掃描的方式測量，但總體來看這兩項在實際產品上測量難度很高，仿真精度不太好去驗證。

信號網絡的電壓(Voltages)的測量，目前市面上也沒有很好的能夠抗靜電干擾的專用測量探頭。不過，可以用微同軸探頭配合示波器來進行信號線上靜電波形的抓取，有一定的可操作性和準確度。探頭采用微同軸外殼可以焊接在單板地上，微同軸采用全屏蔽并套磁環，通過470歐姆接入信號，因為微同軸的特性阻抗是50歐姆，包括示波器的輸入阻抗，因此測得的靜電壓就是Vmeas=Vreal X 50/520。為什么要加入串阻呢？一是為了避免靜電電流過多的進入示波器損壞示波器，二是為了避免探頭的接入導致被測信號信號失真。這種測量方法可以參考IEEE上的會議文章（Measurement and Modeling of System-level ESD Noise Voltages in Real Mobile Products）。

四、總結：

ESD仿真屬于系統性仿真，是一項比較艱巨的仿真任務，目前ESD仿真的目的主要是用于改進和優化，而非替代測試給出通過/不通過的結論。通過 ESD 仿真可以幫助我們給出參考的措施：

1、優化ESD 電流釋放的路徑，避免ESD干擾到敏感電路或模塊；

2、優化機箱接地、屏蔽設計、內部線纜布線；

3、指導單板的布局與布線設計；