當前位置（zhì）：首頁 > 技術文章（zhāng） > 係統級靜電仿真到底能做到什麽程度

係（xì）統級靜電仿真到底能做到什麽程度

更（gèng）新時（shí）間：2025-08-07 點擊（jī）次數：136

一（yī）、前言

靜電放（fàng）電（Electrostatic Discharge, ESD）現象是造（zào）成現（xiàn）代電子設備故障和可靠性下降的重要因素。隨著半導（dǎo）體工藝尺寸的不斷縮（suō）小和電子設備集成度的持續提高，靜電放電（ESD）已成為影響電子設備可靠性的關鍵（jiàn）因素之一。根據ESD協會的（de）統計數據顯示，在電子設備現場失效案例中（zhōng），約35%-40%可歸因於ESD事件（Voldman, 2018）。傳統（tǒng）的ESD測試依賴物理（lǐ）實驗，成本高且周期長，而仿真技術可顯著提高設計效率。

那麽，大家可能都（dōu）有一個疑問，係統級（jí）靜電仿真難不難？準不準？

我們認為當前行業發展（zhǎn）階段還是非常難的！因（yīn）為作為EMC工程師或硬件開發人員，對仿真的預期還是比較高（gāo）的：

1、想要通過仿真複現測試中出現的問（wèn）題；

2、想要通過（guò）在設（shè）計階段（duàn）仿真能夠預測產品能不能通過（guò）ESD測試標準；對於這種預期，看一些仿真軟件的宣傳好像能做（zuò）到，但實際卻是非常艱巨。首先如（rú）果隻仿真（zhēn）局部電路是無法模擬靜電（diàn）測試的狀態的，而要分析整個設備係統，建模精細度及仿真工作站硬件決定（dìng）了仿真的準確度。想要達到上麵的期望，可能不僅僅（jǐn）是（shì）企業本身的投入（rù），還包括上遊產（chǎn）業鏈的支（zhī）持，比如元器件廠家、連接器廠家能否提供仿真（zhēn）模型，不然巧婦也難為無米之炊（chuī）啊！當前行業發展現狀搞一（yī）個大而全的模型仿真是不太現實的，需要付出很大的代價，並且仿真周期也會很（hěn）長，很難趕上項目（mù）的開發（fā）交期（qī）。

和我們之前（qián）寫的浪湧仿真類似， ESD仿真也是隻需要關注的關鍵電路或結構就可以了，以盡可（kě）能簡單的仿真模型獲取到（dào）我們想要驗證的措施。這樣就要求（qiú）仿真工程師要足夠了解（jiě）產品，仿真工程師必須有EMC設計整改經驗，如果隻是專門做（zuò）電（diàn）磁仿真的工程師是不太可能仿得到有效結果（guǒ）。

二、仿真建模

靜電仿真工具常用的有（yǒu）如下（xià）幾種（zhǒng）仿真工具，下麵用CST軟件仿真來講解（jiě）靜電仿真（zhēn）的思路。

首先是靜電槍（qiāng）的建（jiàn）模（mó），靜電槍模型很多仿真軟件都要自己建，但是CST2023版軟件內部已經建好了靜電槍模型，隻要調入即（jí）可。

下麵驗證一下這個靜（jìng）電槍（qiāng）模型輸出波形，仿真得到的（de）靜電波形曲線如下，按照靜電6KV接觸放電的等級（jí），對（duì）比GBT17626.2 等級3要求，第（dì）一個峰值、30ns、60ns 基本在標準規定的誤差範圍內，說明模型（xíng）可用。

這裏要說明一點，這個模型接地線很長，會增加（jiā）網格計算量，但這個地線長度對波形有影響，不能隨意變短，如果要調整接地線長度，需要同步（bù）調整串（chuàn）接的電感，同時要（yào）校驗（yàn）波形。當然也有（yǒu）簡化的建模方法（fǎ），比（bǐ）如就加一個PORT，然後

編輯一個靜電波形文件（jiàn）。還有一種方法（fǎ）是搭（dā）建電路通過電路仿真輸出靜電波形的如（rú）下圖：

但總體來看還是建（jiàn）立靜電槍模型最（zuì）（）接近真實測試模（mó）擬，優點（diǎn）主（zhǔ）要有以下（xià）兩（liǎng）點：

1、靜（jìng）電槍體及電路能和被測EUT形成回路更接近（jìn）真實測試狀態；

2、槍體幹擾的影響能夠體現，做（zuò）過靜（jìng）電整改的同學可能都清楚，靜電（diàn）槍的槍體產生的幹擾（rǎo）也是非常大的，不能被忽略，如下圖槍（qiāng）體幹擾場還是非常強的；

下圖圖示就是一（yī）個完整的靜（jìng）電（diàn）仿真係統模型，建模思（sī）路：首先給設備增加一層足夠大的金屬平（píng）麵（miàn），用於模擬靜電桌測試（shì）台的水平耦合板HCP，再在上麵增加橡膠（jiāo）絕緣（yuán）墊（diàn），靜電槍直接接觸注入的測試點，產品的（de）機殼及內部單（dān）板（bǎn）及（jí）單板上的阻容（róng）類器件模（mó）型可直接導入進（jìn）行仿真，根據工作站計算能（néng）力適當進行簡化（huà），影響不大的部件（jiàn）可以刪除（chú）。

靜電仿真一般考慮三個觀察點：表麵電流(Surface Current)、近（jìn）場(E-Field)、信號網絡的電壓(Voltages)

1、表（biǎo）麵電流(Surface Current)：重點可以觀察結構表麵的靜（jìng）電電流流向，靜電電流是否流過敏感電路或模塊區域，指導設計（jì）中（zhōng）進行結構調整。

2、近場(E-Field):產（chǎn）品機殼和內部單板上的靜電（diàn）場分布，重要敏感的電路區域是否有較強的靜電幹擾場，指導單（dān）板布局（jú）和防護設計。

3、信號網（wǎng）絡的電壓(Voltages)：這個通過PORT端口可直接（jiē）觀察信號網絡上的靜電場電平持續時間，當然這個靜電幹擾噪聲是否會引起問題，就需要工程師們進行分析和判斷（duàn）了，比（bǐ）如幹擾信號電平是否超過芯片的工作閾值（zhí），如（rú）果超過就有可能出現係統工作狀態的異常，這裏（）根據各個產（chǎn）品係統的特點，有許多需要經驗數據的（de）積累。

三、仿真精度驗證

對於靜電測試中產品的表（biǎo）麵電流及近場（chǎng）精確分布，目前沒有儀器和工具（jù）能夠準確測量，國外有一些用屏蔽箱屏蔽（bì）測量儀器，用場（chǎng）探頭測量的（de）方式。國（guó）內也有通過近場掃描的方式測量，但總體來看這兩項（xiàng）在實際產品上測量（liàng）難度很高，仿真精（jīng）度不太好去驗證。

信（xìn）號網絡的電壓(Voltages)的測（cè）量，目前市麵上也（yě）沒有很好的能夠抗靜電幹擾的專用測量探頭。不過，可以用（yòng）微同（tóng）軸探頭配合示波（bō）器來進行信號線上靜電（diàn）波形的抓取，有一定（dìng）的可操作性和準確度。探頭采用微同軸外殼可以焊接在（zài）單板地上，微同軸（zhóu）采用全屏蔽並套磁環，通過470歐姆接入信號，因為微同軸的特性阻（zǔ）抗是50歐姆，包括示波器的輸入阻抗，因此測得的靜（jìng）電壓就是Vmeas=Vreal X 50/520。為什麽（me）要加入串阻呢？一是為了避免靜（jìng）電電流過多的（de）進入示波器損壞示波器，二是為了避免探頭的接入導致被（bèi）測信號信號失真。這種測（cè）量方法可以參考IEEE上的會議文章（Measurement and Modeling of System-level ESD Noise Voltages in Real mobiles Products）。

測得數據後，將仿（fǎng）真和實測波形曲線對（duì）比如下，可以看出仿真與實測在量級上基本（běn）一致，通過仿真還是（shì）可以指導產品設計，給出趨勢性的結果。當然精度的高低與仿真建模和測試都強相關，目前（qián）基（jī）本上能做到量級上的一致。

四、總結：

ESD仿真屬於係統性仿真，是一項比較艱巨的仿真任（rèn）務，目前ESD仿真的目的（de）主要是用於（yú）改進和優化，而非替代測（cè）試給出（chū）通（tōng）過/不通（tōng）過的結論。通過 ESD 仿真可以幫（bāng）助我們給出參考的措施：

1、優化ESD 電流釋放（fàng）的路徑，避免ESD幹擾到敏感電路（lù）或模（mó）塊；

2、優（yōu）化機箱接地、屏蔽設計、內部線（xiàn）纜布線；

3、指（zhǐ）導單（dān）板的（de）布局與布線設計；