ESD如何仿真？我找到了ESD仿真的模型！

文摘 2024-09-17 10:01 天津

作者：硬件工程师炼成之路

转自：电源网星球号

《ESD如何仿真？我找到了ESD仿真的模型》

之前的文章“如何理解虚无缥缈的ESD”，有兄弟问有没有ESD放电的仿真，其实发文前我找过，没找到，所以那篇文章里面的仿真是笼统的给了个信号源，然后按照频谱的方式来分析的。

发完后我又查了些资料，终于算是有所得，找到了一篇硕士研究生论文《ESD 模拟器的特性仿真及实验验证》，作者是武汉理工大学 ——舒晓榕。里面有仿真模型，我用我常用的仿真软件LTspice试了下，确实是那么回事，现在就分享给兄弟们。

原论文仿真电路模型原论文的电路模型如下图：

图 3-1 中，R1 和 C1 分别为 330 Ω 放电电阻和 150 pF 储能电容，为基于人体-金属模型的 ESD 模拟器基本放电电路。L1，R2 和 C3 为 ESD 模拟器枪体其它部件的等效电阻和等效电容。C2 为枪体内的寄生电容，L2 为接地带电感，C4为接地带对地电容。C5 和 C7 为枪体不同部位的对地电容。L3 和 R3 为继电器电感和电阻。L4 和 R4 为放电尖端电感和电阻，C6 则为放电尖端和电流靶间的电容。L5 和 R5 为电流靶电感及电阻，C8 为放电尖端对地电容。仿真得到的放电电流为 R5 元器件上的电流。电压源sV 为上升时间为 700 ps 的阶跃函数，且阶跃信号幅值等于放电电压。1 kV 放电电压时的激励信号见图 3-2。

按照论文的模型和提供的参数值，用LTspice仿真了下，确实是符合IEC 61000-4-2标准放电波形的。LTspice仿真验证仿真原理图如下图：

2Ω靶电阻上电流波形如下图：

从仿真图上可以看到，仿真得到相关参数如下：峰值电流：7.4A上升时间tr：0.85ns（10%峰值到90%峰值）30ns处电流幅度：2.95A60ns处电流幅度：1.98A 对比规范里面的要求如下：

可以看到，2000V ESD测试时，几个参数都能很好的符合规范，除了30ns处的电流幅度规范里面是4A，仿真是2.95A，看着差得有点多，不过其实也是符合规范的。规范要求4A±30%，也就是电流范围是：2.8A~5.2A。2.95A在这个范围，所以也是符合规范的。原来文章的问题在之前的文章“如何理解虚无缥缈的ESD”里面，我曾猜测ESD的典型波形可能是直接输出短路的时候测的，现在看来，其实是有误的，至少从论文里面看来应该是输出接2Ω电阻+1nh电感串联。不过我仿真看了，用这个电路将输出短路，其电流波形也基本不变，只是峰值输出电流小了一点，从7.5A降低到了7.0A，对分析结果影响不大。另外，现在既然有了更为真实的ESD模型，我们就把原来文章的问题用新的方法再仿真看看。老问题——为什么串电阻和并联电容能够改善 ESD？也就是下面这个问题：

a、我们先来看滤波电容 Cp 的值对静电防护的影响

构建电路如下图，左边是ESD发生器（去掉了2欧姆靶电阻和1nh靶电感），右边是被测电路。

因为我们是为了看电容的影响，所以排除Rs的影响，将设置Rs=0。电容Cp参数分别为：10p，100p，1nf ，10nf，100nf，我们看残压Vgpio电压值如下图：

我们可以读出不同电容情况下Vgpio的最大值电压：10pF时Vgpio最大值=1220V100pF时Vgpio最大值=903V1nF时Vgpio最大值=251V10nF时Vgpio最大值=30V100nF时Vgpio最大值=3V 对比下之前文章的结果：

我们代入 ESD 2kV的测试情况，就可以得到不同Vgpio的电压值：10pF时Vgpio最大值=980V100pF时Vgpio最大值=180V1nF时Vgpio最大值=20V10nF时Vgpio最大值=2V100nF时Vgpio最大值=0.2V 为了方便对比，就列个表直接看下现在新模型的结果和之前的结果：

通过对比我们发现，如果只是定性分析，残压Vgpio都是随电容值增大而迅速下降，说明加电容确实对 ESD有用。不过如果定量看的话，二者差异还是很大的，特别是在100nF时，新模型残压是3V，而老的方法只有0.2V，差了十几倍。为什么会这样呢？到底之前准确还是现在准确？

个人认为，这是因为之前老的方法是从频谱的角度来分析的，而频谱是按照典型放电电流波形来的。而现实的情况是，不同的负载（对不同的东西放电），放电的电流波形肯定是有差异的，之前的模型因其本身假设的局限性，我们得到的结果自然是粗糙的。因此，总的来说，我认为这个新的模型是更准确的。下面是新模型静电放电时对应的放电电流波形，可以看到，这个波形和静电放电的典型电流波形差异还是挺大的。由此说明，给不同的负载放电，静电放电电流波形是不同的。

b、串联电阻 Rs 的影响

看完电容的影响，我们再来看下电阻的影响。因为如果MCU输入电阻看作无穷大的话，是无法发生静电放电的，所以我们要结合更真实的情况，在 MCU 那里放个 ESD 管，看这个管子承受的功率以及残压Vgpio大小就行。为了方便和之前的结果做对比，静电放电电压设置为10000V，仿真电路图如下图：

仿真结果如下图：

对比下之前简易模型的文章的结果：

可以看到，简易模型和现在新的模型，功率值和残压同样都有差异，但是如果仅仅是定性分析的话，我们都可以很清晰的看到不同电阻对ESD放电的影响，二者都能说明串联电阻越大，对ESD防护越有好处。

小结

通过查询论文，我终于找到了可以在LTspice里面进行仿真ESD的电路了，并且我又将之前的问题用新的模型分析了一下。从结果来说，新的模型更为准确。但是也不能说之前文章写的东西是错误的，只能说它模型简单，精度不高。并且，如果从分析具体问题的角度，其实之前的文章“如何理解虚无缥缈的ESD”应该更容易理解，毕竟，我们不可能一遇到问题就拿这个精确的模型去实际仿真下，有时候我们仅仅只需要在脑子里面过一下，定性分析下就足够了。

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