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XFdtd 中的瞬态电磁/电路协同仿真:近距离观察用于 ESD 保护的 TVS 二极管

图片1.png

瞬态电压抑制 (TVS) 二极管有助于保护电子电路免受与静电放电 (ESD) 事件相关的浪涌电压的影响,通常被放置在 I/O 线路、音频硬件、人机接口设备、电源和天线的射频前端 (RFFE) 旁。

TVS 二极管仿真具有一定的挑战性。全波时域电磁(EM)求解器可以分析器件的三维 CAD 几何结构,但电路元件模型有限。另外,电路求解器可以模拟复杂的非线性元件,但三维电磁效应和信号延迟被近似为电感器、电容器或分布式元件(如传输线)。

本文介绍了XFdtd 的瞬态电磁/电路协同仿真功能,它结合了三维全波电磁仿真的优势和电路求解器的灵活性。这种方法在全波仿真中嵌入了瞬态非线性电路求解器,从而在单个时域仿真中考虑了所有电磁现象。

图片2.png与外部天线连接的 RFFE

本文以保护匹配网络电路的 TVS 二极管为例进行说明。摩托罗拉移动公司提供了三维 CAD 模型,然后为演示目的对该模型进行了修改,使其包括一个外部天线,该天线使用简单的串联电容器和并联电感器进行匹配。TVS 二极管可保护这些元件以及作为集成芯片 (IC) 端子的 50 欧姆电阻。

使用 15 kV 人体模型 (HBM) 波形的电流源对外部天线施加静电放电枪。TVS 二极管放置在匹配网络前面,将浪涌电流重定向到地。制造商以等效 SPICE 电路模型的形式提供了该 TVS 二极管的电流-电压特性。

利用 FDTD 进行全波电磁模拟

有限差分时域 (FDTD) 解决方案是基于麦克斯韦方程的全波技术。三维 CAD 几何图形被离散成直线单元,每个单元边缘都与材料属性相关联。

在 FDTD 仿真开始时,所有场初始化为零,电流源根据 15 kV HBM 输入波形将场引入 ESD 枪尖的仿真空间。随着仿真的进行,电磁场在空间中传播,并与沿途的三维材料结构相互作用。

就传统 FDTD 方法而言,TVS 二极管电路模型是一个未知概念。全波方程无法计算通过复杂非线性元件的电压和电流,因此传统的 FDTD 仿真只能模拟未受保护集成电路的 ESD 事件。

每个单元边缘都有一个随时间变化的相关电场。每个单元边缘也有四个磁场,用于计算相应的电流。通过这种方式,源极和集成电路终端的电流均可按时间函数进行计算。在这种无保护配置中,瞬态电流很高。

电路仿真

电路模拟器的模拟空间由终端、元件和边定义。该网络被表述为一个节点矩阵方程,描述了各组成部分及其连接信息。迭代求解器主要根据基尔霍夫电流定律(KCL)计算非线性方程组,该定律规定离开任何节点的电流代数和必须为零。

在本例中,采用 15 kV HBM 波形的电流源连接到匹配网络和集成电路终端。TVS 二极管置于匹配网络之前。

电路仿真中没有考虑器件的三维几何结构。如果事先了解几何特性,如传输线、结构电感和电容,就可以添加额外的电路元件。不过,这只是对结构电磁效应的估计。

集成电路终端的电流随时间变化。缺乏时域变化表明三维模型的表示过于简化。

瞬态电磁/电路联合模拟

XFdtd 的瞬态电磁/电路协同仿真在一次仿真中同时使用两种计算技术。全波 FDTD 仿真中的单元边沿与电路求解器中跨 TVS 二极管的一对终端相连。电路求解器的模拟空间被缩小到只有两个端子、六个元件和与 TVS 二极管电路模型相关的众多边。

电路求解器的时间步与 FDTD 时间步同步。在每个时间步中,FDTD 求解器将单元边沿的电流传递给电路求解器,电路求解器计算 TVS 二极管的方程组。然后,它将电压返回给 FDTD 求解器使用,从而将二极管效应纳入 FDTD 仿真空间。

将包含二极管的瞬态电磁/电路联合仿真结果与不包含二极管的 FDTD 仿真结果进行比较,可以明显看出 TVS 二极管提供的保护。有二极管存在时,集成电路终端的电流明显减小。

除了验证保护功能外,时域电压振铃还能确认所有电磁现象都已考虑在内。振铃是由电感和电容特性以及与附近结构的耦合引起的。

摘要

要有效模拟 TVS 二极管保护,需要在全波电磁求解器中嵌入瞬态非线性电路求解器。这种仿真可同时捕捉三维 CAD 几何图形中的所有电磁现象以及电路模型的复杂非线性行为。ESD 工程师可以在XFdtd中应用这种仿真技术,以便更有效地分析设备保护措施和缓解 ESD 事件。

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