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        基于場路協(xié)同的手機(jī)靜電放電仿真研究?

        2021-11-13 08:24:04楊蘭蘭王香霽
        電子器件 2021年5期
        關(guān)鍵詞:全波電磁場靜電

        王 倩,楊蘭蘭,王香霽,楊 昌,屠 彥

        (東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210096)

        靜電放電(Electrostatic Discharge,ESD)是靜電電荷累積,在接觸另一物體時,對這個物體到地的阻抗進(jìn)行放電的一種現(xiàn)象[1]。隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的便攜化發(fā)展,集成度越來越高,靜電放電的影響也隨之增大,可能干擾信號的傳輸,嚴(yán)重時甚至?xí)苯訐舸└呔艿募尚酒琜2]。在日常生活中,尤其秋冬干燥季節(jié),人體靜電放電最高可達(dá)15 kV,對電子設(shè)備的潛在危害很大[3]。

        靜電放電對電子設(shè)備的影響經(jīng)常不易直接感知,并且存在累積性,即當(dāng)時不產(chǎn)生影響,在多次累積后帶來嚴(yán)重隱患和靜電干擾場所及途徑不能預(yù)期的特性[4]。因此對于靜電放電在不同電子設(shè)備介質(zhì)上的影響情況討論很有必要。除放電介質(zhì)影響之外,放電位置與芯片的距離也是很重要的一個因素。接地是靜電防護(hù)中的基礎(chǔ)措施,有效的接地方式能夠給靜電放電提供泄放路徑,減少對內(nèi)部電路的損害[5]。

        本文采用CST 微波工作室(MICROWAVE STUDIO,MWS)和設(shè)計(jì)工作室(DESIGN STUDIO,DS)相結(jié)合的瞬態(tài)場路協(xié)同仿真方法,基于人體-金屬靜電槍模型對包含PCB 板、保護(hù)外殼和芯片模型的手機(jī)設(shè)備的信號傳輸進(jìn)行研究,特別關(guān)注放電位置和放電介質(zhì)對電磁干擾和信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

        1 瞬態(tài)場路協(xié)同仿真模型

        1.1 微波工作室三維全波模型

        MWS 中手機(jī)三維模型由外部金屬鋁外殼和玻璃材質(zhì)的顯示屏組成,內(nèi)部導(dǎo)入PCB 板,金屬鋁殼和接地板之間通過大電容連接。靜電槍及手機(jī)三維全波仿真模型如圖1 所示。

        圖1 三維全波仿真模型示意圖

        放電位置為靜電槍與手機(jī)外殼接觸的位置,圖2 給出了放電位置示意,選取三個放電位置為(a)金屬頂部,(b)金屬左側(cè),(c)玻璃左側(cè)。盡管在接觸放電模式中,靜電槍與設(shè)備的接觸點(diǎn)須是金屬,本文選用玻璃介質(zhì)作為接觸點(diǎn),是此時的情況可與小弧長的空氣放電情況相比擬。

        圖2 放電位置示意

        手機(jī)內(nèi)部置入的PCB 板主要包含CPU(IC100)和四塊高速DDR 緩存(IC200-IC203),功能主要是CPU 與高速緩存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本文研究選取的信號線為ADDR5,是連接IC100-C19 與緩存IC200-36 的地址線。在三維全波仿真模型中,需要設(shè)置端口,與外部電信號進(jìn)行連接,圖3 給出了三維全波模型仿真時的端口設(shè)置及選取的信號線位置。port1 為芯片IC-100 的C19 引腳,port2 是IC200 的36 引腳,信號線及端口位置如圖3 所示,而port3 為圖2 所示的靜電放電電壓施加端口。

        圖3 信號線及端口位置

        1.2 設(shè)計(jì)工作室電路

        瞬態(tài)協(xié)同仿真要求三維模型中的端口與設(shè)計(jì)工作室的電路元件有一個連接,每個時間步長,電壓和電流信息都會在電路仿真和全波電磁仿真之間進(jìn)行交流[6]。圖4 所示為設(shè)計(jì)工作室中的協(xié)同仿真電路,包含三維全波仿真模型轉(zhuǎn)化的電路模塊、IC100和IC200 芯片的IBIS 模型及信號激勵。DS 中方形的Terminal1 施加靜電放電電壓,對應(yīng)到MWS 中的port3(圖1 中的實(shí)心圓點(diǎn)位置);傳輸信號在DS 中方形Terminal2 處施加,經(jīng)過芯片IC-100 處理后經(jīng)引腳C19 和地址傳輸線ADDR5 傳輸?shù)絀C200-36。在信號線兩端分別加了兩個探針P1、P2 來探測信號的傳輸情況,分別檢測IC100-C19 和IC200-36引腳,也對應(yīng)于MWS 中的port1 和port2 端口。DS中方形Terminal3 為芯片的使能信號,此處為低電平使能。

        圖4 設(shè)計(jì)工作室協(xié)同仿真電路

        傳輸信號采用1.8 V,50 MHz 方波,施加在圖3的Terminal2 處,靜電放電電壓8 kV,上升時間1 ns,仿真時間為60 ns,施加在圖3 的Terminal1 處。

        1.3 瞬態(tài)協(xié)同仿真設(shè)置

        DS 中新建瞬態(tài)任務(wù),選擇CST MWS-co-simulation。瞬態(tài)協(xié)同仿真采用三維瞬態(tài)求解器,施加上文所述的端口激勵,在電路和三維全波仿真模型中同時進(jìn)行,且可以同時計(jì)算顯示電磁場數(shù)據(jù)[7]。

        MWS 中因探針不能接觸或距離金屬過近,所以在port1 和port2 對應(yīng)位置上方約3mm 處設(shè)置電磁場探針,以獲得對應(yīng)電磁場數(shù)值。

        2 仿真結(jié)果

        圖5 所示為金屬鋁殼不同位置處放電電流的對比,可以看到兩處放電電流結(jié)果較為一致。電流在1 ns 左右達(dá)到峰值20 A,在經(jīng)約1 ns 的急速下降到12.5 A 之后,下降速度放緩,60 ns 時下降到約7 A。

        圖5 金屬鋁殼不同位置處放電電流對比

        靜電放電損傷主要來源之一是靜電放電產(chǎn)生的電磁場輻射干擾。金屬鋁殼上選取的兩個放電位置中,頂部較為接近端口2,而左側(cè)較為接近端口1。圖6 所示為金屬鋁殼不同位置放電時port1 和port2端口位置處的電場強(qiáng)度模和磁場強(qiáng)度模。從圖6 可以看出,頂部和左側(cè)位置放電,在與各自較為接近的端口產(chǎn)生的電場強(qiáng)度模最高都能達(dá)到2.8×104V/m,磁場強(qiáng)度模最高約50 A/m,到達(dá)峰值的時間均約為1.3 ns。經(jīng)快速下降之后,電場強(qiáng)度模在后期有略微的上升趨勢,是因?yàn)榉烹姇r產(chǎn)生沿金屬上下表面幅度相同的表面波,在邊緣反射疊加入射波[8],而磁場是由放電過程中不均勻的電流產(chǎn)生的,所以變化趨勢與電流保持一致。

        電磁場中的坡印廷矢量,即單位時間內(nèi)通過單位面積的能量,綜合了電磁場情況,可以更直觀地顯示出特定位置的潛在損傷程度。其表達(dá)式為:

        圖7 給出了金屬鋁殼不同位置放電時端口處的坡印廷矢量模。從圖7 可以看出,坡印廷矢量模與電磁場數(shù)值關(guān)系也保持一致,其中金屬頂部放電在兩個端口產(chǎn)生的能流密度相差更大,port2 約是port1 的5 倍,在port2 峰值能達(dá)到約1.4×106W/m2。

        圖6 和圖7 的數(shù)據(jù)反映出,首先靜電放電產(chǎn)生的輻射干擾主要和放電點(diǎn)與受影響端口的距離有關(guān),金屬頂部放電時,靠近頂部位置的port2 端口處電磁場強(qiáng)度大,金屬左側(cè)放電時,靠近左側(cè)位置的port1 端口處電磁場強(qiáng)度大,即端口與放電點(diǎn)距離越近,產(chǎn)生的電磁場數(shù)值越大,對器件的損傷潛在危害更大。

        圖6 金屬鋁殼不同位置放電時端口處的電場強(qiáng)度模和磁場強(qiáng)度模

        圖7 金屬鋁殼不同位置放電時端口處的坡印廷矢量模

        靜電放電對于信號的影響屬于軟故障,一般來說會對信號造成延遲,振蕩,過沖和下沖等問題。圖8為DS 中靜電放電對信號波形的干擾情況。由圖8 可以看出,在探針P1 處,兩個位置放電對信號的干擾效果相近,而在P2 處,兩個位置的干擾在不同時間段的劇烈程度不一樣,頂部放電在前1 ns 附近波動更加明顯,而左側(cè)放電波動較為集中在1 ns~5 ns,總體上來衡量對信號傳輸?shù)挠绊戇€是相當(dāng)?shù)摹A硗饪梢园l(fā)現(xiàn)左側(cè)放電帶來的信號傳輸波動會更加頻繁,原因可能是左側(cè)位于邊緣中央附近,且側(cè)邊縫隙要比上下端縫隙更長,邊緣會產(chǎn)生更加劇烈的電磁場變化,也會使得電流更容易耦合進(jìn)入內(nèi)部PCB,而DS 中的瞬態(tài)仿真又是對所有輸入產(chǎn)生影響的實(shí)時反映,因此左側(cè)放電的“毛刺”會更多。

        圖8 金屬鋁殼不同位置放電時端口處的信號干擾情況

        為比較不同介質(zhì)上放電的區(qū)別,排除距離、開孔及縫隙等因素的影響,又選取了圖2(c)玻璃左側(cè)位置和圖2(b)金屬左側(cè)結(jié)果進(jìn)行對比。放電電流及電磁場結(jié)果如圖9 所示。

        圖9 兩種介質(zhì)上放電電流及電磁場結(jié)果

        從圖9 可以看出,相近的位置在金屬鋁和絕緣玻璃介質(zhì)上放電,在金屬上放電總體會產(chǎn)生數(shù)值更大的電磁場,玻璃因絕緣導(dǎo)致電流無法在表面?zhèn)鞑?,因此磁場與電流都在急速上升之后迅速歸零,后續(xù)輻射干擾可能性非常小,因此在金屬上放電對器件造成潛在故障的可能性更大。

        圖10 為DS 中兩種介質(zhì)上放電對信號的干擾情況。由圖10 可以看出,P1 和P2 處的信號干擾情況都是在玻璃上放電時比較嚴(yán)重。和圖9 對比來看,可以看出雖然在玻璃上放電產(chǎn)生的電流及電磁場水平較小,但是信號干擾卻是比較嚴(yán)重。在絕緣介質(zhì)上放電,放電電流無法在表面?zhèn)鞑?,但電磁波可以透過玻璃耦合到內(nèi)部PCB 的金屬連接線上,對信號傳輸造成更大的干擾。而金屬鋁殼具有良好的導(dǎo)電性,當(dāng)在上面發(fā)生靜電放電時,產(chǎn)生的電流大部分通過殼體,流向接地板,小部分通過PCB 與殼體連接耦合到PCB 線路上,對信號傳輸造成的干擾相對較小。

        圖10 不同介質(zhì)上放電時信號干擾情況

        3 結(jié)論

        靜電放電是一種常見的電磁危害源,手機(jī)等電子設(shè)備容易受到ESD 產(chǎn)生的高電壓和強(qiáng)電流的影響產(chǎn)生失效。

        本文基于場路協(xié)同仿真模型,對包含PCB 板,芯片及保護(hù)外殼的手機(jī)設(shè)備進(jìn)行靜電放電的仿真研究。本文提出以靜電放電槍打到玻璃絕緣介質(zhì)上的接觸放電來近似模擬小弧長時的空氣放電情況,并與和金屬相接觸的接觸放電進(jìn)行比較。

        研究結(jié)果表明在同種介質(zhì)上放電,放電點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的距離對產(chǎn)生的輻射干擾占據(jù)主導(dǎo)因素,同時開孔、縫隙等因素也會泄露電磁場并影響信號的傳輸。

        不同介質(zhì)上放電,在金屬鋁殼放電時保護(hù)外殼內(nèi)產(chǎn)生的輻射更大,而玻璃上放電雖然保護(hù)外殼內(nèi)不會產(chǎn)生較大的輻射場,卻會造成傳輸信號更大的干擾。

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