系统级静电仿真到底能做到什么程度

一、前言 

静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）现象是造成现代电子设备故障和可靠性下降的重要因素。随着半导体工艺尺寸的不断缩小和电子设备集成度的持续提高，静电放电（ESD）已成为影响电子设备可靠性的关键因素之一。根据ESD协会的统计数据显示，在电子设备现场失效案例中，约35%-40%可归因于ESD事件（Voldman, 2018）。传统的ESD测试依赖物理实验，成本高且周期长，而仿真技术可显著提高设计效率。

那么，大家可能都有一个疑问，系统级静电仿真难不难？准不准？

我们认为当前行业发展阶段还是非常难的！因为作为EMC工程师或硬件开发人员，对仿真的预期还是比较高的：

1、想要通过仿真复现测试中出现的问题；

2、想要通过在设计阶段仿真能够预测产品能不能通过ESD测试标准；对于这种预期，看一些仿真软件的宣传好像能做到，但实际却是非常艰巨。首先如果只仿真局部电路是无法模拟静电测试的状态的，而要分析整个设备系统，建模精细度及仿真工作站硬件决定了仿真的准确度。想要达到上面的期望，可能不仅仅是企业本身的投入，还包括上游产业链的支持，比如元器件厂家、连接器厂家能否提供仿真模型，不然巧妇也难为无米之炊啊！当前行业发展现状搞一个大而全的模型仿真是不太现实的，需要付出很大的代价，并且仿真周期也会很长，很难赶上项目的开发交期。

和我们之前写的浪涌仿真类似， ESD仿真也是只需要关注的关键电路或结构就可以了，以尽可能简单的仿真模型获取到我们想要验证的措施。这样就要求仿真工程师要足够了解产品，仿真工程师必须有EMC设计整改经验，如果只是专门做电磁仿真的工程师是不太可能仿得到有效结果。

二、仿真建模

静电仿真工具常用的有如下几种仿真工具，下面用CST软件仿真来讲解静电仿真的思路。

首先是静电枪的建模，静电枪模型很多仿真软件都要自己建，但是CST2023版软件内部已经建好了静电枪模型，只要调入即可。

下面验证一下这个静电枪模型输出波形，仿真得到的静电波形曲线如下，按照静电6KV接触放电的等级，对比GBT17626.2 等级3要求，第一个峰值、30ns、60ns 基本在标准规定的误差范围内，说明模型可用。

但总体来看还是建立静电枪模型最（）接近真实测试模拟，优点主要有以下两点：

1、静电枪体及电路能和被测EUT形成回路更接近真实测试状态；

2、枪体干扰的影响能够体现，做过静电整改的同学可能都清楚，静电枪的枪体产生的干扰也是非常大的，不能被忽略，如下图枪体干扰场还是非常强的；

下图图示就是一个完整的静电仿真系统模型，建模思路：首先给设备增加一层足够大的金属平面，用于模拟静电桌测试台的水平耦合板HCP，再在上面增加橡胶绝缘垫，静电枪直接接触注入的测试点，产品的机壳及内部单板及单板上的阻容类器件模型可直接导入进行仿真，根据工作站计算能力适当进行简化，影响不大的部件可以删除。

静电仿真一般考虑三个观察点：表面电流(Surface Current)、近场(E-Field)、信号网络的电压(Voltages)

1、表面电流(Surface Current)：重点可以观察结构表面的静电电流流向，静电电流是否流过敏感电路或模块区域，指导设计中进行结构调整。

三、仿真精度验证

对于静电测试中产品的表面电流及近场精确分布，目前没有仪器和工具能够准确测量，国外有一些用屏蔽箱屏蔽测量仪器，用场探头测量的方式。国内也有通过近场扫描的方式测量，但总体来看这两项在实际产品上测量难度很高，仿真精度不太好去验证。

信号网络的电压(Voltages)的测量，目前市面上也没有很好的能够抗静电干扰的专用测量探头。不过，可以用微同轴探头配合示波器来进行信号线上静电波形的抓取，有一定的可操作性和准确度。探头采用微同轴外壳可以焊接在单板地上，微同轴采用全屏蔽并套磁环，通过470欧姆接入信号，因为微同轴的特性阻抗是50欧姆，包括示波器的输入阻抗，因此测得的静电压就是Vmeas=Vreal X 50/520。为什么要加入串阻呢？一是为了避免静电电流过多的进入示波器损坏示波器，二是为了避免探头的接入导致被测信号信号失真。这种测量方法可以参考IEEE上的会议文章（Measurement and Modeling of System-level ESD Noise Voltages in Real Mobile Products）。

四、总结：

ESD仿真属于系统性仿真，是一项比较艰巨的仿真任务，目前ESD仿真的目的主要是用于改进和优化，而非替代测试给出通过/不通过的结论。通过 ESD 仿真可以帮助我们给出参考的措施：

1、优化ESD 电流释放的路径，避免ESD干扰到敏感电路或模块；

2、优化机箱接地、屏蔽设计、内部线缆布线；

3、指导单板的布局与布线设计；