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静电枪电路模型的树立及验证

ESD一直是电气和电子元件产品的主要关注点和突出威胁。在系统级ESD测试过程中,通常用静电枪来模拟ESD放电场景,放电电流波形必须符合IEC 61000-4-2标准。但标准给的误差范围较大,较大的误差

导言

ESD(静电放电)是因为金属和非金属几许结构上电荷的堆集,一般是冲突起电。这种带电体直接或直接的相互作用是ESD放电发生的首要原因。ESD脉冲的泄放,使产品的软硬2种失效都有或许发生。所以电子产品对ESD的监测和防护是十分有必要的。体系级ESD测验的首要测验规范是世界电工委员会规则的IEC 61000-4-2[1]。为了保证电子产品在遭受ESD脉冲时和ESD脉冲往后都能够持续正常作业,需求施行体系级ESD测验。在体系级ESD测验进程中,咱们用ESD发生器(静电枪)来模仿ESD放电场景,可是频频地进行实践体系级防静电测验是贵重和耗时的进程,因此有必要寻求1种有用的方法来剖析和猜测设备的静电防护才能。

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图1 IEC61000-4-2规范下触摸放电电路简图

1 IEC61000-4-2规范

在IEC61000-4-2规范中,静电枪电路如图1所示,已充电的150 pF电容器经过330 Ω电阻放电,然后发生如图2所示的电流波形,该波形中有2个峰值。 依据测验电压,从(2~8) kV分为4个等级,每个等级相差2 kV,不同等级下对应的特性参数也不同。第1个峰值电流为3.75 kV/A,差错不得超越15%。30 ns的电流为2 kV/A,差错不大于30%,60 ns的电流为1 kV/A,差错小于30%。波形的上升时间占榜首峰值电流的10%至90%,一般为0.8 ns,差错不能超越25%。但是这个差错规模相对较大,或许引起仿真成果的不精确。现存的电路模型精确度尽管有所提高,但与规范值仍是有些距离[2-3]。本文对电路模型进行优化后,在Cadence下进行模型的树立与仿真,其输出波形的特征参数与规范值挨近共同。

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图2 IEC61000-4-2规范下触摸放电电流波形

2   触摸放电电路模型

2.1 数值核算

我国学者盛松林曾提出触摸放电波形能够看做一大一小2个波组合而成,而且用数值表达式拟合出触摸放电电流波形,但他的模型是根据衡量的,没有电路特性[4]。在电路上能够用2个不同的电容放电来构成这样的波,电路结构设计如图3所示。图4是静电枪电路的s域模型,设a点电压为Y(s),则能够列出a点的节点方程[5]:

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图3 触摸放电模型电路原理图

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图4 s域电路模型

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求出I(s),再进行拉普拉斯逆变换,终究求得时域中的电流I(t)[6]

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经过核算发现,第1峰值的巨细首要由R2、C2、L2决议,它会跟着C2的添加,R2的减小而变大;第2峰值首要由R1、C1、L1决议,它会跟着C1的添加,R1的减小而变大。R3为待测器材的阻值,一般是2 Ω。终究元件参数值如表1所示。

表1 电路模型元件参数值

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图5是电压为2 kV下的数值核算波形与实测波形的比照图(赤色线是MATLAB下数值核算曲线,蓝色线是实测曲线),能够看出两者的符合度是比较好的。波形的特征参数值如表2所示。

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图5 2 kV下触摸放电模型的数值核算与实测比照图

2.2   电路仿真

为了进一步验证模型的精确性,在Cadence环境下树立了电路并进行了仿真,仿真成果如图6所示。能够看出各等级下波形的特征参数都契合IEC61000-4-2规范且具有较高的精确度。其间,第1峰值电流差错在2.8%以内,30 ns电流值差错在3.1%以内,60 ns电流值差错在2.5%以内。可见,此模型具有很好的精确性与安稳性,很合适用于触摸放电仿真测验。 

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图6 Cadence下触摸放电仿真波形图

3   HBM电路模型

为了扩展模型的实用性,把触摸放电模型改成了HBM模型。图7为静电枪的HBM模型,它与触摸放电形式的不同点在于:原电路中R1的阻值由330 Ω变成1.5 kΩ,C1的电容值由150 pF变为100 pF。2 kV下模型发生的放电电流波形如图8所示,其间赤色线是Cadence下仿真曲线,蓝色线是实测曲线,能够看出两者的符合度也是很好的。改善后的模型可用于静电仿真测验中的HBM测验。

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图7 HBM模型电路原理图

4   定论

本文提出了一种新的静电发生器电路模型,该模型在Cadence中树立并验证。长处是:①模型发生的波形很安稳且与实测波形的符合度较好;②适用于2种测验形式,触摸放电测验和HBM测验。其间,触摸放电的仿真成果与IEC61000-4-2规范十分符合。第1峰值电流差错在2.8%以内,30 ns电流值差错在3.1%以内,60 ns电流值差错在2.5%以内。此外,HBM模型的仿真成果与实测波形的符合性也很好,然后证明了新模型体系行为的精确性。该电路模型为静电放电仿真供给了1个新的鼓励源。

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图8  2 kV下HBM模型的仿真与实测比照图

参考文献:

[1] Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-2: Testing and Measurement Techniques-Section 2: Electrostactic Discharge (ESD) Immunity Test, TEC-EN 61000-4-2, 2008.

[2] 田巍,石磊.静电放电发生器模型的研讨及使用[J].科技广场,2011(07):82-84.

[3] MERTENS R,KUNZ H,SALMAN A,et al.A flexible simulation model for system level ESD stresses with application to ESD design and troubleshooting[C],Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium (EOS/ESD), 2012 34th. IEEE, 2012.

[4] 盛松林,毕增军,田明宏,等.一个新的IEC61000-4-2规范ESD电流解析表达式[J].强激光与粒子束(5):464-466.

[5] 邱关源.电路.第5版[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6] TANAKA H,FUJIWARA O,YAMANAKA Y.A Circuit Approach to Simulate Discharge Current Injected in Contact with an ESD-gun[C],International Symposium on Electromagnetic Compatibility.

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