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係統級靜電仿真到底能做到什麽程度

更新時間：2025-08-07 點擊次數：817

一、前言

靜電放電（Electrostatic Discharge, ESD）現象是造成現代電子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（diàn）子設備集成度的（de）持（chí）續提高，靜電放電（diàn）（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（de）統計數據顯示，在電子設備現場失效案例中（zhōng），約35%-40%可歸因於ESD事件（Voldman, 2018）。傳統的ESD測試依賴物理（lǐ）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）能都有一個疑問，係統級靜電（diàn）仿真難不難？準不準？

我們認為當（dāng）前行業發展（zhǎn）階段還是非常難的！因為作為EMC工程師（shī）或硬件（jiàn）開發（fā）人員，對仿真的預期還是比較高（gāo）的：

1、想要通過仿真複現測試中出現的（de）問（wèn）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（biāo）準；對於這種預期，看一些仿真軟件的宣傳好像（xiàng）能做到，但實際卻是非常艱巨（jù）。首先如果隻仿真局部電路是無法模擬靜電測試的狀態的，而要分析整個設備係統，建模精細度及仿真工作站（zhàn）硬件（jiàn）決定了仿真的準確度。想要達到上麵的期望，可能不僅僅是企業本身的投入（rù），還包括上遊產業鏈的支持，比如元器件（jiàn）廠家、連接器廠（chǎng）家能否提供仿真模型，不然巧婦也難（nán）為無米之（zhī）炊啊！當前行業發展現狀搞一個大而全的模型仿真是不太現實的，需要付出很大的代價，並且仿（fǎng）真周期也（yě）會很長，很難趕上項（xiàng）目的開發交期。

和我們之前寫的浪湧仿真類（lèi）似， ESD仿真也是隻（zhī）需要關（guān）注的關鍵（jiàn）電路或結構就可以（yǐ）了，以盡可能（néng）簡單的仿（fǎng）真模型（xíng）獲取到我們（men）想要驗（yàn）證的措施。這樣就要（yào）求仿真（zhēn）工程師要足（zú）夠了解（jiě）產品，仿真工程師必（bì）須有EMC設計整改經驗，如果隻是專門做電磁仿真的工（gōng）程師是不太可能仿得到有效結果。

二、仿真建模

靜電仿真工具常用的有如下幾種（zhǒng）仿真工具，下麵用CST軟件仿真來講解靜電仿真（zhēn）的思路（lù）。

首先是靜電槍的建模，靜電槍模型很多仿真軟件都要自己建，但是（shì）CST2023版軟件（jiàn）內部已經建好了（le）靜電槍模型，隻要調入即可。

下（xià）麵驗（yàn）證（zhèng）一下這個靜電槍模型輸出波形，仿（fǎng）真得到（dào）的靜電波形（xíng）曲線如下，按照靜電6KV接觸放電的等級，對比GBT17626.2 等級3要求，第一個峰值、30ns、60ns 基本在標準規定（dìng）的（de）誤差範圍內，說明模型（xíng）可用。

這裏（lǐ）要說明一點，這個（gè）模型接地線很長，會（huì）增加網格計算量，但這個地線長度對波形有影響（xiǎng），不能隨意變（biàn）短，如果要調整接地（dì）線長度，需要同步調（diào）整串接的電感，同時要校驗波形。當然也（yě）有簡化的建（jiàn）模方法（fǎ），比如就加（jiā）一個PORT，然後（hòu）

編輯一個靜電波形文件。還有一種方法是（shì）搭建電路通（tōng）過電路仿（fǎng）真輸出靜電波（bō）形的如下圖：

但總體（tǐ）來看還是建立靜電槍（qiāng）模型最（）接近真實測試模擬，優點主要有以下兩點：

1、靜電槍體及電路能和（hé）被測（cè）EUT形成回（huí）路更接近真實測試狀（zhuàng）態；

2、槍體幹擾的影響能夠體現，做過靜電整改的同學可能都清（qīng）楚，靜電（diàn）槍的槍體產（chǎn）生的幹擾也是非常大的，不能被忽略，如下圖槍體幹擾場（chǎng）還（hái）是非常強的；

下圖圖示就是一個完整的靜電仿真係（xì）統模型，建模思（sī）路：首先給設備增加（jiā）一（yī）層足夠大的金屬平麵，用於模擬靜電桌測試台的水平耦合板HCP，再在上（shàng）麵增加橡膠絕緣墊，靜電槍（qiāng）直接接觸注入的測試點，產品的機（jī）殼及內部單板及單板上（shàng）的阻容類器件模型可（kě）直接（jiē）導入進（jìn）行仿真，根據工作（zuò）站計算能力（lì）適當進行簡化，影響不大的部件可以刪除。

靜電仿真（zhēn）一般考慮三個觀察點：表麵電（diàn）流（liú）(Surface Current)、近場(E-Field)、信號網絡的電壓（yā）(Voltages)

1、表麵電流(Surface Current)：重點可以（yǐ）觀察結構表麵的靜電電流流向，靜電電流是（shì）否流過（guò）敏感電路或模塊區域，指導設計中進行結構調整。

2、近場(E-Field):產品機殼和內部單（dān）板上（shàng）的靜電場分布（bù），重要敏感的電路區（qū）域是（shì）否有（yǒu）較強的靜電幹（gàn）擾場，指（zhǐ）導（dǎo）單板布局（jú）和防護設計。

3、信（xìn）號網絡的電壓(Voltages)：這個通過PORT端（duān）口（kǒu）可直接觀察信號網絡上的靜電場電平持續時間，當（dāng）然這個靜電幹擾噪聲是否（fǒu）會引起問題，就需（xū）要工程師們進行分析和判斷了，比如幹擾（rǎo）信號電平（píng）是否超過芯片的工作閾值，如果超過就有可能出現係統工作狀態的異常，這裏（）根據各個產品係統的特點，有許多需要經驗數據（jù）的積累。

三、仿（fǎng）真精度驗證

對於靜電測試（shì）中產品的表麵（miàn）電流及近（jìn）場精確分布，目前沒有儀器和工具能夠準（zhǔn）確測量，國外有一些（xiē）用屏蔽箱屏蔽測量儀器，用場探頭測量的方式。國內也有通過近場掃（sǎo）描的方式測量，但總體來看這兩項在實際產品上測量難度很高，仿真精度不太好去驗證。

信號網絡的電壓(Voltages)的測量，目前市麵上也沒有很好的能夠抗靜電幹擾的專用測量探頭。不過，可以用微同軸探（tàn）頭配合示波器來進行信號線上靜電波形的抓取（qǔ），有一定的可操作性和準確度。探（tàn）頭采用（yòng）微同（tóng）軸外殼可（kě）以焊（hàn）接在單板（bǎn）地（dì）上，微同軸（zhóu）采用（yòng）全屏蔽並套磁環，通過470歐姆接入信號，因為微同軸的特性阻抗是50歐姆，包括（kuò）示波器的輸入阻抗，因此（cǐ）測得的靜電壓就是Vmeas=Vreal X 50/520。為什麽要加入串阻呢？一是為了（le）避免（miǎn）靜電電流過多的進入示波器損壞示波器，二是為了避免探頭的接入導致被測信號信號失真（zhēn）。這（zhè）種測量方法可以參考IEEE上的會議文章（Measurement and Modeling of System-level ESD Noise Voltages in Real mobiles Products）。

測得數據後，將仿真和實測（cè）波形曲線對比如下，可以看（kàn）出仿真與實測在量級上基本一致，通過仿真還是可以指導產品設計，給出趨勢性的結（jié）果。當然精度的高低與仿真建模和測試都強相關，目（mù）前基本上能做到量級上的一致。

四、總（zǒng）結：

ESD仿真屬於係（xì）統性仿真，是（shì）一項比（bǐ）較艱巨的仿真任務，目（mù）前ESD仿真的目的主要是用於改進和（hé）優化（huà），而非替代測試給出通過/不通過的（de）結論。通過（guò） ESD 仿真可以幫助我們給出參考的措施：

1、優化ESD 電流（liú）釋放的路徑，避（bì）免ESD幹擾到敏感電路或模塊；

2、優化（huà）機箱接（jiē）地、屏蔽設計、內部線纜布線（xiàn）；

3、指導單板（bǎn）的布局與布線（xiàn）設計；