干货分享 | 如何高效预测 ESD 放电电流？（上）

本文运用 SEED 方法对开放技术联盟 [1] 提出的“ESD 放电电流测量”指标建模并将结果与实测值进行了比较。同时讨论 SEED 模型模块（见图1）的特性和实现方式。特别讨论了共模扼流圈和外部 ESD 保护器件的建模问题，因为二者是非常重要的因素，决定着整个系统的系统级 ESD 稳健性。运用 TLP 和 ESD 发生器模型评估了 ESD 脉冲上的瞬时系统级响应和进入 IC 的残余电流。

由于文章较长，我们将会分成三次发布，您现在看到的是（上）篇。

图1：用于 ESD 放电电流测量参考电路的 SEED 模型的等效电路框图。有关模型各系统模块的详细描述见第 Ⅱ 节。

符合开放技术联盟规范的 100BASE-T1 式汽车以太网日益流行，定将受到世界各地汽车 OEM 制造商的青睐。开放技术联盟在文件 [1] 中提出了一种称为“ESD 放电电流测量”的测量方法，通过该方法可以估算出整体系统级 ESD （鲁棒性）。此项测试可以确定进入 PHY（PHY 表示物理层接口，专指收发器）的残余电流，从而确定对应于 HBM 模型的 ESD （鲁棒性）等级。

高效系统级 ESD 设计（SEED）是一种建模方法，旨在预测系统的 ESD 稳健性，在 ESD 事件 [3-6] 期间评估瞬时电流和电压。该方法以等效电路和行为模型为基础。通常以传输线脉冲（TLP） [7] 和网络分析仪测量值为输入，确定单个元件或系统部件的特性。加上合适的 ESD 发生器模型，该方法可以用于研究 USB3 等高速数据传输应用 [8] 的系统级 ESD 事件。

在本文中，我们将运用 SEED 方法再现面向 100BASE-T1 应用的推荐 ESD 放电电流测量测试法。通过这种分析，我们可以明确外部 ESD 保护器件的寄生电感、触发、回弹行为等不同参数对系统级 ESD 稳健性的影响。此外，通过此分析我们还可以预测应用中其他无源器件在 ESD 事件期间遭受的电磁应力。

本文内容安排如下：第 Ⅱ 节描述使用的测试设置。第 Ⅲ 节介绍从测量设置衍生而来的 SEED 模型，同时展示模型各模块的特性和仿真结果。第 Ⅳ 节分析用 ESD 发生器对系统模型进行验证的结果。

为了测量在 ESD 事件期间流入 PHY 的电流，开放技术联盟建议采用一款特制的 PCB [1] 。该测试网络类似于介质相关接口（MDI），只是后者中的 PHY 被电阻网络取代。图1所示框图展示了 MDI 的不同模块，包括外部 ESD 器件、共模端接（CMT）元件、去耦网络、共模扼流圈（CMC）和 100BASE-T1 PHY （IC）。图2所示为所用 PCB 的照片。

CMC 为电感为 200 μH 的单个器件，ESD 器件既可能是为两条数据传输线（本文所用）集成匹配 ESD 保护的单个器件，也可能由两个独立器件组成，二者各自与 GND 和数据传输线之一相连。PHY 被“收发器仿真网络”取代，在 ESD 测试期间保持电气行为不变。与 [1] 不同，这里使用的是 2 Ω 和 50 Ω 电阻。2 Ω 电阻简单模拟 IC 内部保护的典型行为，50 Ω 电阻则可减少测量时 IC 电流。CMT 网络位于 CMC 和外部 ESD 保护器件之间，由四个分立式元件组成：两个1kΩ电阻在数据传输线之间相连。这些电阻与 GND 之间的中间触点由一个 4.7 nF 电容和一个并联的 100 kΩ 电阻实现。CMT 网络后跟两个去耦100nF电容。测试板的输入直接连接 ESD 器件“收发器仿真网络”后的输出连接器。

为了测量 [1] 定义的 ESD 放电电流，将 MDI 地连接至最小尺寸为0.5m×0.5m的地平面。输出通过50ΩRF衰减器与示波器相连。ESD 脉冲由 ESD 发生器（ESD 脉冲枪）产生，发生器的尖端与其中一个输入引脚直接相连。根据IEC61000-4-2 [9] ，ESD 设置为 C = 150 pF 且 R = 330 Ω。对于 4 kV和 6 kV，测量放电电流；若要达到规范规定，需要满足 [1] 定义的限值。

图2：用于 ESD 放电电流测量的参考 PCB 照片（尺寸为 10.25 cm × 5.95 cm）。

开发 SEED 是为了用瞬时仿真来实施系统级 ESD 分析。为此，我们需要为目标系统的各个组件找到合适的模型。图1直观地展示了此处实现的 SEED 模型的所有必要组件。 为了减少建模工作，加快仿真流程，我们采用了行为建模方法。我们根据器件的典型静态和动态特性调谐模型。以等效电路的方式实现该模型，该电路包括集总元件、受控源和反馈环路、S-参数模块。

在此，我们采用来自Keysight的高级设计系统（The Advanced Design System，ADS）软件进行系统级瞬时分析。

为了实施系统级仿真并与测量值取得高度一致，我们需要配置和调整 ESD 发生器模型。这里使用的模型以 [10] 所讨论的建议为基础。我们对该模型的参数进行了调整，以拟合 ESD 发生器实测波形上的仿真电流波形。这里使用的是 NoiseKen ESD 发生器。按照 IEC61000-4-2 [9] 规范进行校准工作。用于调整 ESD 发生器模型的参考波形是通过向固定于大耦合平面上的 2 Ω Pellegrini目标放 2 kV 电获得的。结果形成的电流波形是用 F-65 电流探针在电流枪尖捕捉到的。

图3：2 kV条件下2 Ω 参考目标上的 ESD 发生器波形模型及其测量。

图3比较了 2 kV 放电第一和第二峰值区的仿真与实测时域电流曲线。可以看出，仿真结果与实测值高度一致。

未完待续。《如何高效预测 ESD 放电电流？（中）》将在下周同一时间发布在本公众号，敬请关注。

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