ESD模擬器全波模型的仿真與驗(yàn)證

舒曉榕，徐曉英，劉鵬宇，張成銘

（武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430070）

靜電放電 ESD（electrostatic discharge）的產(chǎn)生伴隨著瞬時(shí)大電流和強(qiáng)電磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)電子設(shè)備或系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾甚至損傷。為了解決實(shí)際中的靜電放電隨機(jī)性強(qiáng)和可重復(fù)性差的問題，根據(jù)不同情形下發(fā)生的靜電放電的主要特點(diǎn)，相應(yīng)的靜電放電模型被建立起來(lái)，如人體模型、機(jī)器模型、人體-金屬模型等[1]?；诮⒌撵o電放電模型，ESD模擬器被設(shè)計(jì)和制作出來(lái)以模擬實(shí)際中發(fā)生的靜電放電現(xiàn)象，主要用于電子設(shè)備或系統(tǒng)的靜電放電抗擾度測(cè)試。

為建立靜電放電抗擾度測(cè)試通用的和可重復(fù)的基準(zhǔn)，人們制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)人體-金屬模型，目前比較通用的標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際電工委員會(huì)頒布的IEC 61000-4-2。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定為靜電放電抗擾度測(cè)試提供了參考，也大大提高了測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，然而由于ESD模擬器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可重復(fù)性差，同樣符合IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的ESD模擬器的測(cè)試結(jié)果會(huì)有所不同[2]。可重復(fù)性的問題也一直是靜電放電測(cè)試存在的主要問題之一。除了從實(shí)驗(yàn)測(cè)試的角度提高可重復(fù)性[3-4]，還可以考慮從仿真的角度解決可重復(fù)性的問題。

全波模型能夠有效模擬電磁場(chǎng)，因此可以建立ESD模擬器的全波模型進(jìn)行靜電放電測(cè)試的仿真。

1 全波模型的建立

目前，關(guān)于ESD模擬器全波模型的研究已取得一定進(jìn)展[5-7]，研究人員也已將全波模型應(yīng)用于相關(guān)靜電放電測(cè)試的仿真，全波模型的有效性得到了一定的驗(yàn)證[8-12]。在此以建立ESD模擬器全波模型為基礎(chǔ)，并從PCB電磁場(chǎng)耦合規(guī)律的新角度進(jìn)行全波模型的驗(yàn)證，為ESD模擬器全波模型的實(shí)際應(yīng)用提供參考。全波模型主要包括ESD模擬器和IEC 61000-4-2抗擾度測(cè)試平臺(tái)，模型的構(gòu)建在CST中完成。

1.1 ESD模擬器全波模型的建立

建立的ESD模擬器全波模型是基于人體-金屬模型，并遵循IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。

在此以RC模塊為例進(jìn)行介紹。RC模塊為150 Ω放電電阻和330 pF儲(chǔ)能電容，是人體-金屬模型的基本放電回路。其全波模型如圖1所示。

圖1 RC模塊全波模型Fig.1 Full wave model of RC module

圖中，儲(chǔ)能電容和放電電阻的基本幾何形狀參照實(shí)物大小進(jìn)行建模，儲(chǔ)能電容的電容值和放電電阻的電阻值通過設(shè)置集總元件的電容值和電阻值進(jìn)行模擬。同時(shí)，儲(chǔ)能電容模塊和放電電阻模塊通過集總元件連接起來(lái)，形成完整的RC模塊全波模型。

全波模型通過S參數(shù)離散端口進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)為上升時(shí)間為500 ps的階躍信號(hào)，其幅值和放電電壓大小相同。為了更好地模擬繼電器上的高電壓開關(guān)動(dòng)作，S參數(shù)離散端口被放置于高壓繼電器模塊的2個(gè)觸點(diǎn)之間，如圖2所示。

圖2 S參數(shù)離散端口Fig.2 Discrete port of S parameter

完整的全波模型如圖3所示。為便于展示，圖中全波模型的接地帶未按照2 m的實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行建模。在全波模型中，即使按照能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)放電電流的等效電路布置集總元件，仿真得到的放電電流也會(huì)與電路產(chǎn)生的放電電流有較大差別，這是因?yàn)?D模塊會(huì)對(duì)放電電流波形產(chǎn)生較大的影響。通過在全波模型各金屬部件間增加集總元件以及調(diào)整集總元件參數(shù)值，仿真得到了符合IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的接觸放電模式下的放電電流。同時(shí)，ESD模擬器全波模型的其他模塊也通過集總元件連接起來(lái)，并通過接地面構(gòu)成完整的放電回路。

圖3 完整的ESD模擬器全波模型Fig.3 Complete full wave model of ESD simulator

使用連接放電尖端和接地面的2 Ω集總元件，來(lái)模擬IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用于校驗(yàn)放電電流的電流靶，即全波模型仿真得到的放電電流為2 Ω集總元件上的電流。

1.2 ESD模擬器全波模型的電流驗(yàn)證

全波模型能夠?qū)Ψ烹婋娏骱碗姶艌?chǎng)進(jìn)行模擬，因此，對(duì)全波模型的驗(yàn)證也需要從放電電流和電磁場(chǎng)兩方面進(jìn)行。首先，將對(duì)放電電流進(jìn)行驗(yàn)證。在2～8 kV放電電壓下，全波模型仿真得到的放電電流波形如圖4所示。

大數(shù)據(jù)時(shí)代正在廣泛影響著社會(huì)、教育和發(fā)展，在諸多領(lǐng)域和諸多方面正掀起了變革和創(chuàng)新的浪潮，高等職業(yè)院校應(yīng)該在教育改革中廣泛、全面、準(zhǔn)確地使用大數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過路徑創(chuàng)新、體系建設(shè)、載體建設(shè)等策略和方法，真正將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到高等職業(yè)院校教育改革進(jìn)程之中，做到對(duì)教育變革進(jìn)程、教育改革成果、教學(xué)創(chuàng)新質(zhì)量的有效保障。

圖4 放電電流波形Fig.4 Discharge current waveforms

由圖可見，放電電壓和電流值呈現(xiàn)正比關(guān)系，表明全波模型能夠有效模擬實(shí)際ESD模擬器接觸放電模式下放電電壓和放電電流之間的正比關(guān)系。

以8 kV放電電壓下的放電電流波形為例。如圖5（a）所示，放電電流第1個(gè)峰的峰值為30.1 A，上升時(shí)間（從10%峰值至90%峰值）為（1.67-0.76）ns=0.91 ns，符合 IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30 A（±10%誤差）和上升時(shí)間0.7～1 ns的要求。

如圖5（b）所示，放電電流在30 ns和 60 ns處（即距離10%峰值處30 ns和60 ns）的值，分別為17.2 A和8.02 A，符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的16 A（±30%誤差）和8 A（±30%誤差）。通過放電電流，全波模型得到了初步驗(yàn)證。

圖5 8 kV放電電壓下的放電電流波形Fig.5 Discharge current waveform at 8 kV discharge voltage

1.3 抗擾度測(cè)試平臺(tái)全波模型的建立

由于靜電放電測(cè)試在IEC 61000-4-2抗擾度測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，因此將建立抗擾度測(cè)試平臺(tái)的全波模型，結(jié)合ESD模擬器全波模型進(jìn)行了靜電放電測(cè)試的仿真?？箶_度測(cè)試平臺(tái)全波模型的主視圖和俯視圖如圖6所示。

圖6 抗擾度測(cè)試平臺(tái)全波模型的主視圖和俯視圖Fig.6 Front view and top view of full wave model of immunity test platform

圖中，對(duì)抗擾度測(cè)試平臺(tái)的全波模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅保留了水平耦合板、絕緣襯墊和接地面，連接水平耦合板和接地面的2個(gè)串聯(lián)的470 kΩ電阻采用1個(gè)940 kΩ集總元件來(lái)模擬。其中，水平耦合板為160 cm×80 cm×1.5 mm的鋁板，接地面為260 cm×180 cm×1.5 mm的鋁板，水平耦合板與接地面的間距為80 cm。在CST中水平耦合板和接地面均設(shè)置為理想導(dǎo)體PEC。

2 ESD模擬器全波模型的電磁場(chǎng)驗(yàn)證

利用自制的PCB進(jìn)行相關(guān)靜電放電測(cè)試，得到耦合電壓和電磁場(chǎng)耦合規(guī)律。對(duì)全波模型的電磁場(chǎng)驗(yàn)證也分為對(duì)耦合電壓大小的“定量”驗(yàn)證和對(duì)耦合規(guī)律的“定性”驗(yàn)證。

PCB靜電放電測(cè)試分為對(duì)板放電測(cè)試和輻照效應(yīng)試驗(yàn)。對(duì)板放電測(cè)試是對(duì)PCB進(jìn)行直接放電，以得到靜電放電在PCB上發(fā)生時(shí)的電磁場(chǎng)耦合情況。輻照效應(yīng)試驗(yàn)則按照IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)間接放電測(cè)試的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2.1 對(duì)板放電測(cè)試及驗(yàn)證

對(duì)PCB進(jìn)行了簡(jiǎn)化以更好得到電磁場(chǎng)耦合規(guī)律。待測(cè)PCB基板為厚1.6 mm的FR4基板，銅厚35 μm，尺寸為100 mm×100 mm。底面為接地面，頂面布有1條軌線，軌線長(zhǎng)60 mm，寬分別為0.635，1.27，2.54 mm；軌線末端端接 50 Ω電阻，另一端焊接SMA接口，用于測(cè)試耦合電壓，如圖7（a）所示。對(duì)板放電測(cè)試的放電點(diǎn)為PCB上的焊盤，且焊盤上有過孔，4組焊盤和過孔的位置在垂直距離軌線側(cè)端中點(diǎn) 20，40，60，80 mm 處，如圖7（b）所示。

圖7 待測(cè)PCB示意圖Fig.7 Schematic diagram of PCB to be test

測(cè)試時(shí)，將待測(cè)PCB放置于尺寸為60 cm×60 cm×5 mm的水平鋁板上，水平鋁板再放置在IEC 61000-4-2抗擾度測(cè)試平臺(tái)的絕緣襯墊上，鋁板邊沿距水平耦合板邊沿10 cm。將鋁板接地，即通過接地線連接到抗擾度測(cè)試平臺(tái)的接地面上；放電電流經(jīng)過焊盤上的過孔和水平鋁板可流向接地面；放電尖端垂直于焊盤進(jìn)行放電，放電電壓為2 kV，每個(gè)放電點(diǎn)重復(fù)放電15～20次，并取平均值進(jìn)行說明。

放電時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)在軌線末端負(fù)載上引起感應(yīng)電壓，即耦合電壓。SMA接頭的特性阻抗為50 Ω，示波器輸入阻抗設(shè)置為50 Ω時(shí)，示波器測(cè)得的電壓即為50 Ω阻抗上的電壓，文中耦合電壓測(cè)量值即為該電壓值。SMA接頭通過同軸電纜連接到示波器通道，以測(cè)量耦合電壓波形。所用示波器的型號(hào)為Agilent Infiniium DSO9254A，其帶寬 2.5 GHz，采樣頻率20 GS/s。測(cè)試前對(duì)ESD模擬器進(jìn)行了校準(zhǔn)，其放電電流滿足IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。

水平鋁板和待測(cè)PCB均在CST中進(jìn)行建模，結(jié)合ESD模擬器和抗擾度測(cè)試平臺(tái)的全波模型進(jìn)行仿真。對(duì)板放電測(cè)試的仿真如圖8所示。

圖8 對(duì)板放電測(cè)試仿真示意圖Fig.8 Schematic diagram of the simulation for discharge test to the board

由圖可見，PCB按照實(shí)物大小進(jìn)行建模，使用50 Ω集總元件模擬SMA接頭和軌線端接電阻。與測(cè)量值進(jìn)行比較的耦合電壓仿真值即為集總元件SMA上的電壓。不同軌線寬度下耦合電壓峰值的測(cè)量值與仿真值的比較如圖9所示。

圖9 耦合電壓峰值的測(cè)量值與仿真值的比較Fig.9 Comparison of measured and simulated peak values of coupling voltages

由圖可見，耦合電壓峰值的測(cè)量值和仿真值吻合較好，特別是耦合電壓的正峰值，且耦合電壓隨放電距離的變化趨勢(shì)基本一致。

測(cè)量與仿真得到的耦合電壓波形的吻合度也較好。寬度為2.54 mm的軌線不同放電點(diǎn)處的耦合電壓波形的比較如圖10所示。

圖10 不同放電點(diǎn)耦合電壓波形的比較Fig.10 Comparison of coupling voltage waveforms at different discharge points

以下從電磁場(chǎng)耦合規(guī)律的角度，對(duì)全波模型進(jìn)行驗(yàn)證。不同軌線寬度下耦合電壓峰-峰值的比較見表1，表中T1，T2和T3分別為軌線寬度0.635，1.27，2.54 mm。

表1 耦合電壓峰-峰值的比較Tab.1 Comparison of peak-to-peak values of coupling voltages

由表可知，隨著軌線寬度的增加，相同放電點(diǎn)測(cè)得的耦合電壓峰-峰值呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，并且仿真值也表現(xiàn)出相同的耦合規(guī)律。這表明，在電磁場(chǎng)耦合規(guī)律方面，仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果是相吻合的。

2.2 輻照效應(yīng)試驗(yàn)及驗(yàn)證

輻照效應(yīng)試驗(yàn)按照IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。將PCB置于抗擾度測(cè)試平臺(tái)絕緣襯墊一側(cè)中心處，PCB邊沿距離水平耦合板邊沿10 cm，在水平耦合板邊沿處進(jìn)行放電，如圖11所示。放電模式為接觸放電，放電電壓為2～8 kV，待測(cè)軌線為T1。為了更好驗(yàn)證全波模型，PCB的放置位置還選擇了距離水平耦合板放電點(diǎn)邊沿20～60 cm處。同一放電電壓和放電距離重復(fù)放電15次。

圖11 輻照效應(yīng)試驗(yàn)配置Fig.11 Irradiation effect test configuration

不同放電電壓和放電距離測(cè)得的結(jié)果見表2和表3。

表2 耦合電壓正峰值測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of positive peaks

表3 耦合電壓負(fù)峰值測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of negative peaks

由表2和表3可知，耦合電壓正峰值在20 cm處的值要大于10 cm處的值，隨后，其值開始減小，且減小趨勢(shì)變緩，但在60 cm處的值要略大于50 cm處，因此，其總體呈現(xiàn)出先增大，后減小，最后增大的趨勢(shì)。耦合電壓負(fù)峰值則表現(xiàn)出隨放電距離的增大而減小且減小趨勢(shì)變緩的趨勢(shì)。在不同放電距離處耦合電壓峰值和放電電壓基本上為正比關(guān)系。

對(duì)輻照效應(yīng)試驗(yàn)的仿真按照實(shí)際測(cè)試中的配置進(jìn)行。其仿真如圖12所示。仿真時(shí)，Zmin邊界即接地面設(shè)為電邊界，其余邊界為open。ESD模擬器全波模型放電尖端在水平耦合板邊沿進(jìn)行放電，且放電尖端垂直于水平耦合板。

圖12 輻照效應(yīng)試驗(yàn)仿真示意圖Fig.12 Schematic diagram of irradiation effect test

在仿真環(huán)境中，耦合電壓峰值和放電電壓呈現(xiàn)良好的正比關(guān)系，故在此取2 kV下的仿真結(jié)果與測(cè)量值進(jìn)行比較，如圖13所示。

圖13 耦合電壓峰值的測(cè)量值與仿真值的比較Fig.13 Comparison of measured and simulated peak values of coupling voltages

由圖可見，測(cè)量值與仿真值在10 cm處的偏差較大，但在其它放電距離處，耦合電壓的測(cè)量與仿真值基本吻合，且偏差很小。然而，仿真中得到的耦合電壓正峰值和負(fù)峰值均隨著放電距離增大而減小，因此測(cè)試中耦合電壓正峰值隨距離的變化趨勢(shì)未能得到很好的模擬。

綜合對(duì)板放電測(cè)試和輻照效應(yīng)試驗(yàn)中的驗(yàn)證結(jié)果，耦合電壓的測(cè)量值和仿真值總體吻合度較好，且對(duì)板放電測(cè)試中耦合電壓隨軌線寬度增大而增大的電磁場(chǎng)耦合規(guī)律，在仿真中得到了很好的驗(yàn)證。由此ESD模擬器全波模型所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)得到了驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

在CST中建立了ESD模擬器的全波模型。該全波模型產(chǎn)生的放電電流相關(guān)參數(shù)符合IEC 61000-4-2中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)放電電流的規(guī)定，全波模型得到了初步驗(yàn)證。結(jié)合PCB靜電放電測(cè)試得到的耦合電壓和電磁場(chǎng)耦合規(guī)律對(duì)全波模型產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，對(duì)板放電測(cè)試和輻照效應(yīng)試驗(yàn)中的耦合電壓測(cè)量值和仿真值吻合度整體較好，對(duì)板放電測(cè)試中耦合電壓隨著軌線寬度增大而增大的電磁場(chǎng)耦合規(guī)律在仿真中得到了很好的模擬。這在一方面驗(yàn)證了全波模型的有效性，在另一方面，測(cè)試得到的耦合規(guī)律也通過仿真再次得到驗(yàn)證。全波模型能夠獲得穩(wěn)定的結(jié)果，從仿真的角度解決了靜電放電測(cè)試的可重復(fù)性問題，并且耦合規(guī)律的相互驗(yàn)證為ESD模擬器全波模型的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的參考。