係（xì）統級靜電（diàn）仿真（zhēn）到底能做到什麽程度

一、前言 

靜電放電（Electrostatic Discharge, ESD）現象是造成現代電子（zǐ）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（jù）顯（xiǎn）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（tǒng）的ESD測（cè）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。

那麽，大家可（kě）能都有一個（gè）疑（yí）問，係統級靜電仿真（zhēn）難（nán）不難？準不準（zhǔn）？

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

1、想（xiǎng）要通過仿（fǎng）真複（fù）現測試中出現的（de）問題；

2、想要通過在設計階段（duàn）仿真能夠預測產品能不能通過ESD測試標準；對於這種預（yù）期，看一（yī）些仿真軟件的宣傳好像能做到，但實際卻是非常艱巨。首先如果隻仿真局部電路是無法模擬（nǐ）靜（jìng）電（diàn）測試（shì）的狀態的，而要分析整個設備係統，建模精（jīng）細度及仿真工（gōng）作站硬件決定了仿真的準確度。想要達到上（shàng）麵的期（qī）望，可能不僅僅是企（qǐ）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（qì）廠（chǎng）家能否提供仿真模型，不然巧婦也難為（wéi）無米之炊（chuī）啊（ā）！當前行業發展現狀（zhuàng）搞一個大而（ér）全的模型仿（fǎng）真是不太現實的，需要付出很大的代價，並且仿真周期也會很長，很難趕上項（xiàng）目的開（kāi）發交期。

和我們之前寫的浪湧仿真類似， ESD仿真也是隻（zhī）需要關注的關鍵電路或（huò）結構就可以（yǐ）了（le），以盡可能簡單的仿真模型獲取到（dào）我們想要驗證的措施。這樣就（jiù）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（zhěng）改經驗，如果（guǒ）隻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（mó）

靜電（diàn）仿真工具常用（yòng）的有（yǒu）如下幾種仿（fǎng）真工具，下麵用CST軟件仿真（zhēn）來講（jiǎng）解靜（jìng）電仿真的思路。

首（shǒu）先是靜電槍的建模，靜電（diàn）槍（qiāng）模型很多仿真軟件都要自己建，但（dàn）是CST2023版軟（ruǎn）件內部已經建好了靜（jìng）電槍模型，隻要調入（rù）即可。

下麵驗證一下這個靜電槍模型輸出波形，仿真得到的（de）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（jí）3要求，第一個峰值、30ns、60ns 基（jī）本在（zài）標準規定的誤差範圍內（nèi），說明模型可用。

但總體來看（kàn）還是建立靜電槍模型最（）接近真實測試（shì）模（mó）擬，優點主要有（yǒu）以下兩點：

1、靜電槍體（tǐ）及電路能和被測EUT形成回路更接近真實測試狀態；

2、槍（qiāng）體（tǐ）幹擾（rǎo）的（de）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（tǐ）產生的幹擾也是非常大（dà）的，不能被忽略，如（rú）下圖槍體幹擾場（chǎng）還是非常強的；

下圖圖示就是一個完整的（de）靜電仿真係統模型，建模（mó）思路：首先給設備增加（jiā）一層足夠大的金屬平麵，用於模擬（nǐ）靜電桌測試台的水平耦合板HCP，再在上麵增加橡膠絕緣（yuán）墊，靜電槍直接接觸注入的測試點，產品的機殼及內部（bù）單板及單板上的阻容類器件模型可（kě）直（zhí）接導入進行仿真，根據工作（zuò）站計算能力適當進行（háng）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（diǎn）：表麵電流(Surface Current)、近（jìn）場(E-Field)、信號網絡的電壓(Voltages)

1、表麵電流(Surface Current)：重點可以觀察結構表麵的靜電電流流（liú）向，靜電電流是否流過敏感（gǎn）電路或模塊區域，指導設計中進（jìn）行結構調（diào）整。

三、仿（fǎng）真精度驗證

對於靜電測試中產品的表（biǎo）麵電流及（jí）近場精確分（fèn）布，目前沒有儀（yí）器和（hé）工具能夠準確測量，國外有一些用屏蔽箱（xiāng）屏蔽測量儀（yí）器，用場探頭測量的方式。國內也有通過近場掃描的方式測（cè）量，但總體來看這（zhè）兩項在實際產品上測量難（nán）度很高，仿真精度不太好去（qù）驗證。

信號網絡的電壓(Voltages)的測量，目前市麵上也沒有很好的能（néng）夠抗靜電幹擾的（de）專用測量探頭。不過，可以用微同軸（zhóu）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（dù）。探頭采用微同軸外殼可以焊接在（zài）單板地上，微同軸采用全屏蔽並套磁環，通過470歐姆接入信（xìn）號，因為微同軸的特性阻（zǔ）抗是50歐姆，包（bāo）括示波器的（de）輸入阻抗，因此測得的靜電（diàn）壓（yā）就是Vmeas=Vreal X 50/520。為什麽要加入串阻呢？一是為了避免靜電電流過多的（de）進入示波器損壞示波器，二（èr）是為了避免探頭的接入導致被測信號信號失真（zhēn）。這種測量方法可（kě）以參考IEEE上（shàng）的會議文章（Measurement and Modeling of System-level ESD Noise Voltages in Real mobiles Products）。

四、總結：

ESD仿真屬（shǔ）於係統性仿真，是一項比較艱巨的仿真任務，目（mù）前ESD仿真的目的主要是用於改（gǎi）進和優化，而非替代測試（shì）給出通過/不（bú）通過的結論。通過 ESD 仿真可以幫助我們（men）給出參考的（de）措（cuò）施：

1、優化ESD 電流釋放的路徑，避免ESD幹擾到敏感電路或（huò）模塊；

2、優化機箱接地、屏蔽（bì）設計、內部線纜布線；

3、指導（dǎo）單板的布（bù）局與布線（xiàn）設計；