作者 | zhou ming
在上一篇esd案例中,我们给大家介绍了基于cst 3d静电枪模型的esd仿真方法,该方法利用时域算法,可以对esd干扰的瞬态影响进行分析。今天我们来介绍另一种更高效的esd仿真方法,利用电路静电枪模型,对手机type-c端口进行esd仿真。
type-c端口定义及放电位置选择
根据type-c连接器的pin脚定义,我们选择a6 pin作为放电点。为了便于与esd枪尖连接,我们画了一小段延长线把a6 pin引出。
构建esd测试场景模型
手机属于浮地设备,浮地设备的esd放电路径和分布电容有很大关系。因此在构建浮地设备的esd仿真模型时,必须严格参考iec61000-4-2的布置要求。在本案例中,水平耦合板长度1.6m,宽度0.8m,绝缘垫厚度2mm,水平耦合板下方0.8m是参考地平面。手机放在绝缘垫上面,如下图所示。
esd场路协同仿真设置
在3d仿真时,我们选用的是频域f求解器。为了获得更好的仿真精度,建议在低频段多增加一些采样点数。
接下来切换到电路工作室,我们使用电路静电枪来替代3d静电枪。请参考仿真实例115:电路仿真的“套娃”建模(子电路)功能介绍,在电路中导入模型库中的电路静电枪模型。为了更好的监控esd造成的干扰,我们在pcb走线的接收端设置端接电阻及probe,对信号线上的esd波形进行监控。
设置esd放电等级
手机信号pin接触放电的测试等级是2kv,电路静电枪模型中已经设置好参数vgun,设置为2,单位kv,其他参数保持默认设置。
调用idem对s参数进行预处理
在esd仿真中,调用idem对s参数进行无源性和因果性检测是至关重要的,这一步可以帮助我们提升esd仿真精度。
type-c端口esd放电结果分析
首先我们来仿真没有tvs管的情况。通过设置电场监视器,可以清楚地看到手机内部及周围的电场分布。
通过电路中p2位置的probe,可以看到芯片端电压峰值已经超过了90v,这个量级已经可以造成大多数接口芯片硬失效。
芯片硬失效的结果就是出现击穿短路的情况。esd击穿时的瞬态电流波形很难去准确的模拟,但是我们可以对esd击穿后的电流波形进行仿真。假设芯片击穿后的电阻是1毫欧,下图是芯片端击穿后的电流波形,峰值电流达到了4.5a。
通过表面电流分布,可以清楚地看到esd电流完全灌到了芯片内部。
为了保护芯片,常用的做法是增加tvs管等防护器件。为了验证tvs管模型的spice模型是否准确,先对tvs管单独做电路仿真,下图是tvs动作前后的残压波形对比,蓝色波形是动作后的电压波形,非常符合实际的情况。
接下来把tvs管模型添加到电路中。
通过电路中芯片处探针p2的结果可以看出,增加tvs管之后,芯片端残压降到10v以内,esd隐患解除。
通过表面电流分布,可以清楚地看到esd电流主要流过了tvs管的位置,对芯片起到很好的保护作用。
再给小伙伴一个小彩蛋:如果不用tvs管,还有其他办法解决手机接口的esd防护吗?答案是可以用电容来解决。特别是对于一些控制类信号线,不必担心电容对高速信号的影响,可以考虑加电容来解决esd防护问题。我们把tvs管用10n的电容替代,通过仿真p2的电压对比可以看出,在信号线上加电容(绿线),对于浮地设备有很好的esd防护效果。
最后,大家可以分析一下,在这个案例中为什么加上电容可以起到esd防护效果呢?如果你有答案欢迎留言。
(内容、图片来源:cst仿真专家之路公众号,侵删)
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