ESD静电放电问题仿真分析

“ 静电放电（Electorstatic Discharge，ESD）是指电荷瞬间从一个物体移到另一个物体上，形成一个电荷转移的过程的现象，即具有不同静电电势（电位差）的物体或表面之间的静电电荷转移。ESD会造成电子元件系统受到过度电性破坏，从而影响其电路功能，使电子产品工作不正常或无法工作。”

ESD现象所涉及的物理机制特别复杂，人工计算很难得到放电水平和防护器件性能参数的精确值，仅能通过测试验证的手段获得分析结果，但流片和打板验证耗费大量时间和成本，会使公司在激烈竞争中处于不利的地位。因此，引入合适的仿真模拟手段是十分有必要的。下面通过一个简单的案例描述Sigrity Speed2000 ESD仿真流程，看它可以如何帮助工程师在投产前进行ESD方面的模拟分析工作。

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案例简述

4层PCB板，放电点如下图所示，trace1、trace2分别连到top层的芯片ic1和ic2，信号网络分别为t0与t1，电源网络VDD，地网络GND，bottom层放置多个decup电容。

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仿真方案

Step 1 ：采用ESD枪模型，分析在不做任何ESD处理状态下芯片信号及电源管脚的电压波形。静电过程中不仅会影响放电pin所在trace1的电压，也会通过耦合影响电源和相邻trace2的电压，因此ic2的信号、电源一起仿真；

Step 2 ：优化仿真，评估ESD电容添加与否的影响，分析TVS管的作用；

Step 3 ：提取芯片管脚上的电压作为噪声，分析静电放电如何影响信号、电源，分析是否会导致信号电平无法识别等问题。

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静电枪模型

基于IEC-61000-4-2或者EN-61000-4-2 p.19标准定义放电模型，均是以人体放电模式HBM（Human Body Mode）模拟。

EMC标准是以电流波形来定义静电枪的输出。输出分两段：第一段的上升时间很短（0.71ns），但电流峰值极高（3.75A/KV），此段反映的是HBM放电时，手臂累积的静电荷瞬间放电的结果；第二段（1060ns）则反映身体累积电荷的释放结果。

软件定义的枪模型模拟该电流波形，对板子进行激励，枪模型原理图和模型描述如下，为软件给出的缺省模型，无需工程师手动重新定义，当然也是可以在edit model界面修改模型参数或拓扑，定义属于自己的ESD枪模型。

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仿真过程

• Step1——无ESD防护措施的仿真
  Speed2000的ESD Simulation流程如下：

Layout层叠检查和设置、网络选择：

添加ESD枪模型（这里用默认参数），将ESD枪放置到layout中的放电处：

添加ic1和ic2的电源和信号管脚的电压观测点：

在ESD枪处添加电流观测点，以检查模型的电流波形是否符合要求：

Speed2000的求解引擎为3D时域算法FDTD，因此需要设置Mesh，选择自动生成Mesh，设置仿真时间和其他仿真选项：

仿真结果如下，ic1信号管脚为直接放电信号，ic2信号管脚为走线耦合信号，ic1和ic2电源管脚评估电源平面耦合结果。可以看到在不加静电处理措施的情况下，ic1芯片信号管脚的电压在ESD冲击下可以达到14V，而且在首次放电结束后会有很多振荡产生，这些噪声信号都将使信号电平被淹没其中而不被识别。而通过耦合到达ic2信号管脚处的噪声为3V左右。另外通过平面耦合到两个芯片电源管脚的噪声大概在2.5V。

ESD枪电流波形如下，验证满足标准的要求。

Step2——ESD防护措施仿真

使能所有电容（相当于添加ESD静电电容），观察仿真结果

仿真结果如下，蓝色曲线为加ESD电容、红色曲线为没加ESD电容情况下，信号t0的芯片ic1管脚处电压，可见ESD电容的添加可以降低放电噪声幅度，该案例降低1V左右，并且去耦电容可以减轻噪声的振荡现象。

然后我们在放电处附近添加TVS器件，使用软件自带缺省模型，评估优化效果。放置位置如下：

TVS模型描述如下：

ESD枪电流波形的仿真结果如下，蓝色为加tvs管、红色为没加tvs管的放电处电流曲线，可见是否添加TVS管对放电处的电流波形影响不大。

下图是噪声结果，蓝色曲线为加tvs管、红色曲线为没加tvs管情况下，信号t0的芯片ic1管脚处电压，可见添加TVS管可以大幅降低芯片端的放电噪声，该案例从14V降低到2V左右，使得噪声达到可控的程度。

下面为ic2通过走线耦合的信号管脚处噪声对比和ic1/2电源管脚噪声对比，蓝色均为加tvs管的结果，红色为没加tvs管的结果，ic2信号管脚处耦合的噪声明显减少，两个芯片电源管脚处耦合的噪声也有所降低。

Step3——ESD噪声影响SI的仿真

利用Speed2000的IBIS Simulation可以仿真放电噪声如何影响信号质量。其他设置同ESD仿真流程，在下图所示位置添加信号激励源TX1：

信号激励源模型如下图所示，本案例添加的是500Mbps的PRBS随机码

仿真结果如下，蓝色为加tvs管、红色为没加tvs管情况下，信号接收端芯片ic1管脚处电压，可见放电噪声可以造成前期波形的严重变形，影响电平判断，而加了TVS管后就修复了这一问题。

将信号源的速率提升到2Gbps，仿真结果如下，蓝色为加tvs管、红色为没加tvs管的结果，可见随着速率的提升，放电噪声的影响会越大，而且TVS管的作用再次得到验证。

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仿真结论

本文通过一个案例的形式，描述了Sigrity Speed2000是如何针对ESD问题进行仿真分析，ESD仿真流程可以帮助我们模拟出放电电压能够达到什么程度，提供ESD激励枪模型，可以很方便地进行放电模拟；支持添加电容、TSV等防护器件，评估防护电路设计的效果；另外，还能配合IC器件的IO模型或定义信号激励源，评估ESD产生的噪声对信号完整性影响的程度，帮助原理、PCB、仿真工程师在投产前对ESD影响和ESD防护设计做出合理判断。