作者 | Zhou Ming
在上一篇ESD案例CST 2023版本新功能介绍——第四期：ESD仿真模型及手机产品ESD仿真案例中，我们给大家介绍了基于CST 3D静电枪模型的ESD仿真方法，该方法利用时域算法，可以对ESD干扰的瞬态影响进行分析。今天我们来介绍另一种更高效的ESD仿真方法，利用电路静电枪模型，对手机Type-C端口进行ESD仿真。
Type-C端口定义及放电位置选择
根据Type-C连接器的pin脚定义，我们选择A6 pin作为放电点。为了便于与ESD枪尖连接，我们画了一小段延长线把A6 pin引出。
构建ESD测试场景模型
手机属于浮地设备，浮地设备的ESD放电路径和分布电容有很大关系。因此在构建浮地设备的ESD仿真模型时，必须严格参考IEC61000-4-2的布置要求。在本案例中，水平耦合板长度1.6m，宽度0.8m，绝缘垫厚度2mm，水平耦合板下方0.8m是参考地平面。手机放在绝缘垫上面，如下图所示。
ESD场路协同仿真设置
在3D仿真时，我们选用的是频域F求解器。为了获得更好的仿真精度，建议在低频段多增加一些采样点数。
接下来切换到电路工作室，我们使用电路静电枪来替代3D静电枪。请参考仿真实例115：电路仿真的“套娃”建模（子电路）功能介绍，在电路中导入模型库中的电路静电枪模型。为了更好的监控ESD造成的干扰，我们在PCB走线的接收端设置端接电阻及Probe，对信号线上的ESD波形进行监控。
设置ESD放电等级
手机信号pin接触放电的测试等级是2KV，电路静电枪模型中已经设置好参数Vgun，设置为2，单位KV，其他参数保持默认设置。
调用IDEM对S参数进行预处理
在ESD仿真中，调用IDEM对S参数进行无源性和因果性检测是至关重要的，这一步可以帮助我们提升ESD仿真精度。
Type-C端口ESD放电结果分析
首先我们来仿真没有TVS管的情况。通过设置电场监视器，可以清楚地看到手机内部及周围的电场分布。
通过电路中P2位置的probe，可以看到芯片端电压峰值已经超过了90V，这个量级已经可以造成大多数接口芯片硬失效。
芯片硬失效的结果就是出现击穿短路的情况。ESD击穿时的瞬态电流波形很难去准确的模拟，但是我们可以对ESD击穿后的电流波形进行仿真。假设芯片击穿后的电阻是1毫欧，下图是芯片端击穿后的电流波形，峰值电流达到了4.5A。
通过表面电流分布，可以清楚地看到ESD电流完全灌到了芯片内部。
为了保护芯片，常用的做法是增加TVS管等防护器件。为了验证TVS管模型的spice模型是否准确，先对TVS管单独做电路仿真，下图是TVS动作前后的残压波形对比，蓝色波形是动作后的电压波形，非常符合实际的情况。
接下来把TVS管模型添加到电路中。
通过电路中芯片处探针P2的结果可以看出，增加TVS管之后，芯片端残压降到10V以内，ESD隐患解除。
通过表面电流分布，可以清楚地看到ESD电流主要流过了TVS管的位置，对芯片起到很好的保护作用。
再给小伙伴一个小彩蛋：如果不用TVS管，还有其他办法解决手机接口的ESD防护吗？答案是可以用电容来解决。特别是对于一些控制类信号线，不必担心电容对高速信号的影响，可以考虑加电容来解决ESD防护问题。我们把TVS管用10n的电容替代，通过仿真P2的电压对比可以看出，在信号线上加电容（绿线），对于浮地设备有很好的ESD防护效果。
最后，大家可以分析一下，在这个案例中为什么加上电容可以起到ESD防护效果呢？如果你有答案欢迎留言。
（内容、图片来源：CST仿真专家之路公众号，侵删）
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