係統級靜電仿真到底能（néng）做到什麽（me）程度

一、前言（yán） 

靜電放電（Electrostatic Discharge, ESD）現象是造成現代電子設備故障（zhàng）和可靠性下降的重要因素。隨著半導（dǎo）體工藝尺寸的（de）不斷（duàn）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（guān）鍵因素之（zhī）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%可歸因於ESD事件（Voldman, 2018）。傳統的ESD測試依賴物理實驗，成本高（gāo）且周期長（zhǎng），而仿真技術可顯著提高（gāo）設（shè）計效率。

那麽，大家可能都有一個疑問，係統級靜電仿真（zhēn）難不（bú）難（nán）？準不準（zhǔn）？

我們認為當前行業發展（zhǎn）階段還是非常（cháng）難的！因為作為EMC工程（chéng）師或硬件開（kāi）發人員，對仿真的預期還（hái）是比較高的（de）：

1、想要通過仿真複現測試中出現的（de）問題（tí）；

2、想要（yào）通過在（zài）設計階（jiē）段仿真能夠預測產品能不能通過ESD測（cè）試標準；對於這種預期，看（kàn）一些仿真軟（ruǎn）件的宣傳好像能做到，但實際卻是非常艱巨。首（shǒu）先如果隻仿真局部（bù）電路（lù）是無法模擬（nǐ）靜電測試（shì）的狀態的，而要分（fèn）析整個設備係統，建模（mó）精細度及仿真工作站硬件決定了仿真的準確度。想要達到上麵的期（qī）望，可能不僅僅是企業本身的投入，還包括上遊產業鏈的支持，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（ér）全的模型仿真是不太現實的，需要（yào）付出很大（dà）的代價，並且仿真周期（qī）也會很長，很難趕（gǎn）上項目的開發交期。

和我們之前寫的浪湧仿真類（lèi）似， ESD仿真也是隻需要關注的關鍵電路或結構就可以了，以盡可能簡單的仿（fǎng）真模型（xíng）獲取（qǔ）到我們想要驗證的措施。這（zhè）樣（yàng）就要求仿真工程（chéng）師要足夠了解產品（pǐn），仿真工程師必須有（yǒu）EMC設計整（zhěng）改經驗，如果隻是（shì）專門（mén）做電磁仿真的（de）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（zhēn）工具，下麵用CST軟件仿真來講解靜電仿（fǎng）真的思路。

首先是靜（jìng）電槍的建模，靜電槍模型很多（duō）仿真軟件都要（yào）自己建，但是CST2023版（bǎn）軟件內部已經建好了靜電（diàn）槍模型，隻要調（diào）入即可。

下麵驗證（zhèng）一（yī）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（qiú），第一（yī）個峰值、30ns、60ns 基本在標準（zhǔn）規定的誤差範圍內，說明模型可用（yòng）。

但總體（tǐ）來看還是建立靜電槍模型最（）接（jiē）近真實測試模擬（nǐ），優點主要有以下兩點：

1、靜（jìng）電槍體及電路能（néng）和（hé）被測EUT形成回（huí）路更接近真實測試（shì）狀態；

2、槍體幹擾的影響能夠（gòu）體現，做過靜電整（zhěng）改的同學（xué）可能都清楚，靜電（diàn）槍的槍體產生的幹（gàn）擾也是非常大的，不能被忽略，如下圖槍體幹擾場還是非常強的；

下圖圖示就是一個（gè）完整的靜電仿真係統模型（xíng），建模思路：首（shǒu）先給設備增加一層足夠大（dà）的（de）金屬平麵，用於模擬靜電（diàn）桌測試台的水平耦合板HCP，再在上麵增加橡膠絕緣墊，靜電槍直接接觸注入的測試點，產品的（de）機殼及（jí）內部（bù）單板及單（dān）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（suàn）能（néng）力適當進行簡化，影響不大的部（bù）件可以刪除。

靜電仿真（zhēn）一般考慮（lǜ）三個觀察（chá）點：表麵電流(Surface Current)、近場(E-Field)、信號網絡的（de）電（diàn）壓(Voltages)

1、表麵（miàn）電流(Surface Current)：重點可以觀察結構表麵的靜電電流流向，靜電電流是否（fǒu）流過敏感電路或模塊區（qū）域，指導（dǎo）設計中進（jìn）行結構調整。

三、仿真精度（dù）驗證

對於靜電測（cè）試中產品的表麵電流及（jí）近場精（jīng）確（què）分布，目前（qián）沒有儀（yí）器和工具（jù）能夠準確測量，國外（wài）有一些用（yòng）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（jìn）場掃描的方式測量（liàng），但總體來看這兩（liǎng）項在實際產品上測量難（nán）度很高，仿真（zhēn）精度不太好去驗證。

信號網（wǎng）絡的電壓(Voltages)的測量，目前市（shì）麵上也沒有很好的能夠抗靜電幹擾的專用測量探頭（tóu）。不過，可以用（yòng）微同軸探頭配合示波器來進行信號線上靜（jìng）電波形的抓取，有一定的可操作性和（hé）準確度。探頭采用微同軸外殼可（kě）以焊接在單板地上，微同軸采（cǎi）用全屏蔽並套磁環，通過470歐姆接入信號，因為微同（tóng）軸的特性阻（zǔ）抗是50歐姆，包括示波器的輸入阻抗，因此測得（dé）的靜電壓就是Vmeas=Vreal X 50/520。為什麽要加入串阻（zǔ）呢？一（yī）是為了避免靜電電流過多（duō）的進入示波器損壞示波器，二是為了避免探頭的接（jiē）入導致被測（cè）信號信（xìn）號失真。這種測量方（fāng）法可以參考IEEE上的會議文章（Measurement and Modeling of System-level ESD Noise Voltages in Real mobiles Products）。

四、總（zǒng）結：

ESD仿真屬於係統性（xìng）仿真，是一項比較艱巨的仿真（zhēn）任務，目前ESD仿真的目的主要是用於改進和優化，而非（fēi）替代測試給出通過/不通過的結論（lùn）。通過（guò） ESD 仿真可以幫助我（wǒ）們給出參考的（de）措施：

1、優化ESD 電流釋放的路徑，避免ESD幹擾到敏（mǐn）感電路或模塊（kuài）；

2、優化機箱接地、屏蔽設計、內部線纜布線；

3、指導單板的布（bù）局與布線設計（jì）；