在PCB设计中如何预防ESD

Cadence_CPG_Mkt · 发表于 2017-12-19 14:44

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本帖最后由 Cadence_CPG_Mkt 于 2017-12-19 14:44 编辑

判断您的设计是否能耐受ESD事件的方式是用ESD枪在实验室里测试一遍。结果或许可行，或许不行。如果不行，另外寻求一个提高性能的设计方案将是很花费时间和成本的。就算结果可行，那你能保证不会再加上更多的TVS二极管作为保护吗？您的竞争对手也许拥有一套更便宜的设计并且性能和您的一样。因此，实验室测试是一种方法，但不是完美的。

在搭建设计之前仿真ESD事件会更为有效。如果仿真通过了，您就可以针对成本进行优化了。如果没通过，您可以调整您的设计方案而不用设计一个新的PCB。仿真让您的设计变得既省时又省钱。

OK，就这么定了。那我们开始吧。但是真的有这么一套工具可以仿真ESD事件并且有利于更好的设计吗？如果您稍微搜索一下，可能得不到什么结果。一个值得信赖的ESD仿真需要一些相当先进的场求解和路求解器。一些工具供应商或许提供了一些ESD保护的设计指南，但真的很难找到一种在实际的硬件生产和测试之前能够可靠地预测ESD对系统影响的工具。

图1：Sigrity SPEED2000TM技术可提供可靠的ESD仿真

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因此，ESD到底是什么？一阵突如其来的电流是怎样给物体充电发生ESD事件的？当带有电荷的人触碰到移动电话，或者用带电的电缆插入USB端口时，ESD事件就会发生。

ESD放电将导致几千伏的电压，并产生几安培的电流。这对一个电子器件或者电子系统来讲会造成严重的破坏。如果高速电路系统遭受ESD事件冲击，将导致几个时间周期的信号不正常。例如，您的移动电话可能掉线，或者您的笔记本电脑可能出现运行错误。

因此，问题是严重的，仿真听上去是一个好主意。如果您现在还没有对ESD进行仿真过，您将来想要进行ESD仿真时如何选择仿真工具呢？为了仿真ESD的影响，仿真工具必须满足怎样的条件才可帮助设计工程师了解在实验室中设计在ESD激励下如何运作？

因为ESD是一种具有非常高电压的瞬态现象，并且会导致大量的不需要的电流流过系统的任意部分，这个仿真工具就需要一个带有场求解器时域的仿真器去模拟任何导体的形状/路线；它也需要能处理非线性器件以便于分析信号及优化ESD保护，例如TVS二极管。当所有这些条件满足后，ESD仿真功能实际上已经可以被当作能进行标准ESD测试的虚拟的实验室了，并且给出能足以被您信任的仿真结果。

Sigrity SPEED2000技术经受住了ESD仿真的挑战，并且为虚拟环境提供了一整套工作流程。目标是帮助设计工程师获得在没有超标准的ESD保护设计下不会测试失败的高速系统设计。

ESD工作流程利用独有的混合时域仿真器仿真ESD枪电路以及实际的系统结构。利用一个预配置的ESD枪模型满足IEC61000-4-2的实验室测试标准，工程师就可以仿真ESD事件了。将这个枪模型放置于一个PCB/封装版图的任意位置，就可以模仿真实的ESD枪激励真实的PCB时所发生的现象。这个枪模型产生激励系统的标准电压电流，同时所有的导体也被模拟进去了。该工具通过电流在一个实际测试环境中流过的路径捕获ESD电流，并且在器件的引脚测量这个高电压。这样就可以告诉工程师板上的IC器件是否能经受住ESD的影响。工程师就可以决定是否需要加更多的保护，或者多余的保护是否需要被移除以降低成本。