靜電槍電路模型的建立及驗(yàn)證

0   引言

ESD（靜電放電）是由于金屬和非金屬幾何結(jié)構(gòu)上電荷的積累，通常是摩擦起電。這種帶電體直接或間接的相互作用是ESD放電發(fā)生的主要原因。ESD脈沖的泄放，使產(chǎn)品的軟硬2種失效都有可能發(fā)生。所以電子產(chǎn)品對(duì)ESD的監(jiān)測(cè)和防護(hù)是十分有必要的。系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試的主要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的IEC 61000-4-2^[1]。為了確保電子產(chǎn)品在遭受ESD脈沖時(shí)和ESD脈沖過(guò)后都能夠繼續(xù)正常工作，需要實(shí)施系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試。在系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試過(guò)程中，我們用ESD發(fā)生器（靜電槍）來(lái)模擬ESD放電場(chǎng)景，但是頻繁地進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)級(jí)防靜電測(cè)試是昂貴和耗時(shí)的過(guò)程，因此有必要尋求1種有效的方法來(lái)分析和預(yù)測(cè)設(shè)備的靜電防護(hù)能力。

作者簡(jiǎn)介：蘆俊，男，碩士生。郵箱：junlu.xt@foxmail.com。

1   IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)

在IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中，靜電槍電路如圖1所示，已充電的150 pF電容器通過(guò)330 Ω電阻放電，從而產(chǎn)生如圖2所示的電流波形，該波形中有2個(gè)峰值。 根據(jù)測(cè)試電壓，從(2~8) kV分為4個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)相差2 kV，不同等級(jí)下對(duì)應(yīng)的特性參數(shù)也不同。第1個(gè)峰值電流為3.75 kV/A，誤差不得超過(guò)15％。30 ns的電流為2 kV/A，誤差不大于30％，60 ns的電流為1 kV/A，誤差小于30％。波形的上升時(shí)間占第一峰值電流的10％至90％，通常為0.8 ns，誤差不能超過(guò)25％。然而這個(gè)誤差范圍相對(duì)較大，可能引起仿真結(jié)果的不準(zhǔn)確?，F(xiàn)存的電路模型精確度雖然有所提高，但與標(biāo)準(zhǔn)值還是有些差距^[2-3]。本文對(duì)電路模型進(jìn)行優(yōu)化后，在Cadence下進(jìn)行模型的搭建與仿真，其輸出波形的特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值接近一致。

圖1 IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)下接觸放電電路簡(jiǎn)圖

2   接觸放電電路模型

2.1 數(shù)值計(jì)算

我國(guó)學(xué)者盛松林曾提出接觸放電波形可以看做一大一小2個(gè)波組合而成，并且用數(shù)值表達(dá)式擬合出接觸放電電流波形，但他的模型是基于度量的，沒(méi)有電路特性^[4]。在電路上可以用2個(gè)不同的電容放電來(lái)形成這樣的波，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。圖4是靜電槍電路的s域模型，設(shè)a點(diǎn)電壓為Y（s），則可以列出a點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)方程^[5]：

圖3 接觸放電模型電路原理圖

圖4 s域電路模型

求出I_（s），再進(jìn)行拉普拉斯逆變換，最終求得時(shí)域中的電流I_（t）^[6]。

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，第1峰值的大小主要由R2、C2、L2決定，它會(huì)隨著C2的增加，R2的減小而變大；第2峰值主要由R1、C1、L1決定，它會(huì)隨著C1的增加，R1的減小而變大。R3為待測(cè)器件的阻值，一般是2 Ω。最終元件參數(shù)值如表1所示。

圖5是電壓為2 kV下的數(shù)值計(jì)算波形與實(shí)測(cè)波形的對(duì)比圖（紅色線是MATLAB下數(shù)值計(jì)算曲線，藍(lán)色線是實(shí)測(cè)曲線），可以看出兩者的吻合度是比較好的。波形的特征參數(shù)值如表2所示。

圖5 2 kV下接觸放電模型的數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

2.2 電路仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，在Cadence環(huán)境下搭建了電路并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯龈鞯燃?jí)下波形的特征參數(shù)都符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)且具有較高的精確度。其中，第1峰值電流誤差在2.8%以內(nèi)，30 ns電流值誤差在3.1%以內(nèi)，60 ns電流值誤差在2.5%以內(nèi)。可見(jiàn)，此模型具有很好的精確性與穩(wěn)定性，很適合用于接觸放電仿真測(cè)試。

圖6 Cadence下接觸放電仿真波形圖

3   HBM電路模型

為了擴(kuò)展模型的實(shí)用性，把接觸放電模型改成了HBM模型。圖7為靜電槍的HBM模型，它與接觸放電模式的不同點(diǎn)在于：原電路中R1的阻值由330 Ω變成1.5 kΩ，C1的電容值由150 pF變?yōu)?00 pF。2 kV下模型產(chǎn)生的放電電流波形如圖8所示，其中紅色線是Cadence下仿真曲線，藍(lán)色線是實(shí)測(cè)曲線，可以看出兩者的吻合度也是很好的。改進(jìn)后的模型可用于靜電仿真測(cè)試中的HBM測(cè)試。

圖7 HBM模型電路原理圖

圖8 2 kV下HBM模型的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

4   結(jié)論

本文提出了一種新的靜電發(fā)生器電路模型，該模型在Cadence中建立并驗(yàn)證。優(yōu)點(diǎn)是：①模型產(chǎn)生的波形很穩(wěn)定且與實(shí)測(cè)波形的吻合度較好；②適用于2種測(cè)試模式，接觸放電測(cè)試和HBM測(cè)試。其中，接觸放電的仿真結(jié)果與IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)非常吻合。第1峰值電流誤差在2.8%以內(nèi)，30 ns電流值誤差在3.1%以內(nèi)，60 ns電流值誤差在2.5%以內(nèi)。此外，HBM模型的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)波形的吻合性也很好，從而證實(shí)了新模型系統(tǒng)行為的準(zhǔn)確性。該電路模型為靜電放電仿真提供了1個(gè)新的激勵(lì)源。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）