CST丛书18算例31_电子设备ESD抗扰度仿真

1算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]算例31：电子设备ESD抗扰度仿真2算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]目录1.概述2.创建仿真模型3.仿真结果及故障定位4.采取防静电措施5.结果比较6.总结3算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]1概述4算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]采用CST软件对一款真实的10M/100M网络交换机进行静电放电ESD实验进行仿真预设计放电实验采用静电放电发生器ETI-K402，交换机需满足GB/T17626.2-2006中规定的4级抗扰度。放电部位：交换机外部网口插座导电部分。接触放电电压8kV（注意：由于负载不一样，实际的放电电流波形必须采用三维机箱壳体一并仿真，而不能直接带入标准出的典型波形。所以我们这里仿真的是真实全三维仿真。）由于是对三维实体进行瞬态电冲击实验，故采用CSTMWS-T时域电磁场仿真求解器进行仿真概述5算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]仿真模型概述•本电子设备ESD抗扰度仿真算例中使用时域求解器进行仿真，仿真模型分为网络交换机和静电发生器两个部分：6算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]参考标准•本算例中电子产品需要满足及激励信号符合的标准为《GB/T17626.2-2006电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》，该标准中规定了8个静电放电试验等级，分为接触放电和空气放电两类，如下表所示：1a接触放电1b空气放电等级试验电压/kV等级试验电压/kV12122424363848415X1）特殊X1）特殊1）“X”是开放等级，该等级必须在专用设备的规范中加以规定，如果规定了高于表格中的电压，则可能需要专用的试验设备。7算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]激励信号•本算例选择的是4级8kV接触放电，标准中同时规定了电压的上升时间为0.7ns-1ns，本算例中选择1ns：8算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]2创建仿真模型9算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]仿真模型•创建电子枪模型后，整体仿真模型如下图所示：10算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]3仿真结果及故障定位11算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]3.1放电回路电流12算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]观察放电回路上的电流•观察回路上三点处的放电电流：13算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]回路上三个点的电流14算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]小结•上仿真结果可以看出，一个串联回路中的3个点，3点处电流并不一致，充分说明了三者间有旁路RLC支路，采用纯电路方法难以考虑这些RLC支路，而采用全三维电磁场算法则所有RLC支路全部被自动考虑进去了。15算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]3.2芯片管脚电压16算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]芯片U2LINK1管脚上的感应电压17算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]芯片U2SPEED1管脚上的感应电压18算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]芯片U2MDC管脚上的感应电压19算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]-field@0.5GHz20算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]-field@0.5GHz21算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]瞬态E-field分布22算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]瞬态H-field分布23算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]故障定位•此以太网络交换机上使用的数据交换芯片为低功耗芯片，芯片工作状态转换电压为2.5V，从仿真结果可以看出，LINK1和SPEED1管脚上的感应电压达到了4V以上，LINK1和SPEED1管脚与MDC管脚距离很近，使MDC管脚上的感应电压超过了2.5V。•LINK1和SPEED1管脚与网口信号灯相连，其上的电压并不足以引起数据交换芯片工作状态的转换；但芯片MDC管脚为芯片数据管理时钟，时钟信号一旦受到干扰，将导致芯片时序混乱，设备工作出现异常，故将故障位置定位为数据转换芯片的LINK1、SPEED1和MDC管脚。需要在这3个管脚上采取静电防护措施，如在管脚上并联TVS管。24算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]4采取防静电措施25算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]导入SPICE模型并搭建电路26算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]结果查看•增加TVS管之后LINK1管脚两端的电压：27算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]结果查看•增加TVS管之后SPEED1管脚两端的电压：28算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]结果查看•增加TVS管之后MDC管脚两端的电压：29算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]5结果比较比较MDC、LINK1和SPEED1三个管脚在有无TVS管的情况下的瞬态电压30算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]1管脚31算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]1管脚32算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]管脚33算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]6总结34算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]6.1仿真总结•使用CST微波工作室时域求解器可以对全三维结构加印制板进行真实ESD放电试验，在仿真模型中构建真实放电回路，一次仿真即可得出任意一个器件管脚上的瞬态冲击电压和电流及其噪声频谱。•在CST微波工作室中需要设置较小的网格来分辨只有0.25mm线宽的微带线，导致网格数量达到1亿，但时域求解器支持的GPU卡加速功能，能够极大的提高仿真速度，整个仿真仅需11小时即可完成。35算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]6.2故障定位总结•通过CST微波工作室的仿真，我们可以将故障定位在数据转换芯片的MDC管脚上，此管脚位于与网络交换机输入端口信号灯相连的LINK1、SPEED1管脚附近，当静电放电发生时，此管脚上的瞬态电压超过了芯片的临界触发翻转电平，导致时序混乱，造成了数据转换芯片工作状态转换，并导致以太网络交换机的工作发生异常；发现故障位置之后，我们需要在容易受到干扰的管脚上并联TVS管，使用CST设计工作室可以得到了增加TVS管之后，LINK1、SPEED1和MDC管脚上的感应电压均小于0.3V（如果采用性能更加优良的TVS管，将会得到更小的感应电压），验证了所采取的措施是切实、有效的，达到了排除故障的目的。36算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]6.3预防措施•为了达到防护目的，建议在芯片的特殊功能管脚（如使能管脚）处并联相应的TVS管，以防静电放电对数据交换芯片的其他管脚有所冲击，导致以太网络交换机工作异常。•本算例是以以太网络交换机为例进行ESD试验的仿真，此种仿真方法可以推广到任意电子设备的ESD试验或抗扰度评估，在电子样机阶段将潜在隐患降到最低。37算例31：电子设备ESD抗扰度仿真CSTChinaLtd|www.cst-china.cn|[e-mail]|www.cst-china.cn|[e-mail]上海市黄浦区复兴东路733号香港名都1201室|邮编200010|电话[phone]|传真[phone]北京市海淀区彩和坊路8号天创科技大厦707C-D室|邮编100080|电话[phone]|传真[phone]