用于优化ESD RF前端设计的SEED方法（第3部分）

品慧电子讯通常，系统设计人员使用反复试验的方法来添加 ESD 保护。那是否存在负面影响呢？仅使用组件级 ESD 规范不足以实现稳健的系统设计。我们的目标是预测最终手机设计的 ESD 性能，以创建一个提供 ESD 保护的万无一失、一次性过关的系统设计。

本博文系列共分为 3 部分，这是最后一部分，全面介绍静电放电 (ESD) 和移动设备 ESD 系统设计。

● 第 1 部分介绍了 ESD 的基本概念及其与系统设计的关系。

● 第 2 部分为 ESD 系统设计提供了战略指导，介绍了用于板载 ESD 保护的工具和组件。

● 第 3 部分（本篇博文）将介绍系统高效 ESD 设计 (SEED) 建模技术和 RF 前端 (RFFE) 设计的考虑因素。

综合各种因素

通常，系统设计人员使用反复试验的方法来添加 ESD 保护。那是否存在负面影响呢？仅使用组件级 ESD 规范不足以实现稳健的系统设计。我们的目标是预测最终手机设计的 ESD 性能，以创建一个提供 ESD 保护的万无一失、一次性过关的系统设计。

最佳方法之一是使用模型来仿真 IEC 61000-4-2 接触放电脉冲，这样您就可以在确定 ESD 性能之后才投入时间和成本，用于实际的原型设计。

为此，我们采用系统高效 ESD 设计 (SEED)方法。如果您有兴趣了解有关 SEED 的更详细信息，可以进一步阅读 ESD 工业委员会白皮书系统级 ESD 第 1 部分：常见误区及推荐的基本方法。

SEED 是一种板载和片上 ESD 保护的协同设计方法，它有助于分析和实现系统级 ESD 稳健性能。该方法要求对 ESD 应力事件期间的外部 ESD 脉冲之间的相互作用、完整的系统级板设计以及设备引脚特性有一个全面的了解。.

板载保护与片上保护

有关一级和二级 ESD 保护的细分以及 RFFE 保护的战略，请参阅本博文系列第 2 部分。

SEED 建模和仿真的主要步骤

SEED 方法需要对系统的各种组件和轨迹进行建模和仿真。总体来说，使用 SEED 方法的建模和仿真步骤包括：

第 1 步：收集系统信息，例如：

● PC 板 Gerber 文件，包括 PC 板材料规格（堆叠文件、传输线规格等）

● 瞬态电压抑制器 (TVS)、电感和电容的器件型号（S?参数、I-V 特性、ESD 额定值、IV-TLP 特性等）

● RF 前端模块 I/O 引脚的片上 ESD 保护模型（IV-TLP 测量、S?参数、ESD 额定值等）

第 2 步：运行瞬态和 RF 仿真，对 ESD 保护器件在系统级 ESD 应力和正常工作期间的行为进行建模。

建模和仿真工具

当今的 RF 工程师使用多种设计工具。仅举几个例子，包括：

● Keysight Technologies高级设计系统 (ADS)

● National Instruments AWR 设计环境–Microwave Office

● SPICE 仿真软件

这些工具均适用于您的 ESD SEED 仿真。

具体步骤：如何进行 SEED 仿真

让我们通过一个简单的示例来说明如何使用 SEED 方法来设计 ESD 保护。

首先，您需要确定系统中所需的隔离阻抗，以确保 IC 引脚的峰值 ESD 电流和电压在片上（次级钳位）保护能力的范围内。这通过利用 IEC 应力模型和板载 TVS 组件的传输线脉冲 (TLP) 数据（初级钳位）和 IC 接口引脚（次级钳位）创建仿真来完成。

最终，您的目标是确认实现系统 ESD 保护所需的组件。为此，需完成以下步骤：

1. 创建 ESD 脉冲。

2. 加载 Gerber 文件。

3. 将所有其他组件加载到建模软件中。

4. 运行仿真以确定 RFFE 引脚处的 IEC 应力水平。

5. 确定实现板载 ESD 保护所需的组件。

6. 将组件添加到模型中。

7. 重新运行仿真以验证添加的组件是否有效。

8. 通过 ESD 测试后，进行最终的 PC 板布局。

让我们对每一步进行详细阐述。

第 1 步：使用 IEC 61000-4-2 规范值来创建 ESD 脉冲

将如下所示的 RLC（电阻-电感-电容）电路的模型原理图加载到仿真工具中，并验证是否得到如下所示的波形。该模型将仿真 ESD 脉冲。请注意，某些值可能需要调整才能获得精确的波形。

第 2 步：加载 Gerber 文件

接下来，使用 3D Gerber 布局文件来评估 PC 板的走线。将这些文件放入建模软件中。对布局轨迹进行建模，例如微带线的尺寸。

第 3 步：将所有其他组件加载到建模软件中

这些组件包括：

● TLP I/O 器件引脚数据

● 匹配组件

● 传输线组件

第 4 步：运行仿真

加载完所有组件后，您希望查看结果如何。此时，您要确定 RFFE 引脚的 IEC 应力水平。如果该水平值超出内部 IC 保护的能力，那么您将需要添加板载 ESD 保护，例如隔直电容、TVS 二极管等。

第 5 步：确定实现板载 ESD 保护所需的组件

我们在本系列博文的第 2 部分中介绍了 ESD 保护的不同组件和战略。比较可用的各个保护组件，以确定最适合您设计的组件。

例如，假设仿真显示您的系统需要额外的板载保护。下图显示了通过比较 TLP 模型的数据查看的几个组件。橙色线是采用 Qorvo RFFE 模块端口的 TLP 模型。其他三个 TLP 模型是正在评估的 TVS 组件。根据以下 TLP 数据，组件 1 和组件 2 是两个最佳选择。它们都符合我们的系统要求；然而，进一步分析了位移回跳区域后，我们选择组件 1，因为它的触发电压更低。触发电压更低意味着 TVS 不太可能通过削弱系统信号性能影响我们的设计。

我们选择了 TVS 组件后，将其放置在正确的板载位置也非常重要。如下图所示，将 TVS 移近 ESD 入口点可以最大限度地降低 ESD 能量。PC 板的走线可根据 TVS 位置增加和减少第一个峰值电流的幅度。

第 6 步：将组件添加到模型中

一旦选择了 ESD 保护元件（在我们的示例中为 TVS 二极管），您需要将它们添加到仿真中，如下所示。

第 7 步：重新运行仿真以验证添加的板载 ESD 组件是否有效

现在所有数据都加载到您的仿真中，您可以运行瞬态模拟，分析 RF 路径的电流/电压曲线，并调整内部引脚（例如模块引脚）上的最小残留值以及系统性能。

注意：紧凑型仿真器支持使用 S 参数数据进行瞬态模拟。S 参数数据也可以在需要时转换为集总模型。

最终目标是您的系统设计能通过 IEC 应力测试。不同的应用将需要不同的组件或战略，而在设计阶段初期对它们进行建模将有助于提高通过 IEC 认证的可能性。

第 8 步：进行最终的 PC 板布局

一旦您的设计通过了仿真，您就可以进行最终的系统 PC 板布局。使用 SEED 的不同之处在于，您直到完成板载 ESD 保护仿真与建模之后才进行系统 PC 板布局——而不是在设计阶段的初期。

使用 SEED 提高通过 ESD 认证的可能性

SEED 能够更好地理解系统性能和 IC ESD 设计功能。IV-TLP 曲线提供有关片上、模块内和板载 ESD 功能的所需信息。将瞬态模拟添加到曲线图上，即可评估片上和板载 ESD 保护器件的整体行为，以及它们在系统级 ESD 应力下的协同表现。这样，从硬件开发的初始阶段就能够放心地构建最佳协同设计——最终可提高效率并降低总体设计成本。

来源：Qorvo

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