基于場(chǎng)路協(xié)同的智能顯示終端空氣靜電放電仿真

楊蘭蘭，王香霽，王 倩，王莉莉，屠 彥

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院信息顯示與可視化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

1 引言

信息時(shí)代顯示終端是人機(jī)交互的重要部件。各種智能電子產(chǎn)品，如手機(jī)、PAD、筆記本電腦，以及醫(yī)療設(shè)備、汽車智能顯示終端、航空儀器設(shè)備等都易受外部電磁環(huán)境的干擾。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，各種智能電子設(shè)備日趨集成化、小型化、輕薄化，且功耗更低、運(yùn)行速度更快，但電子元器件被封裝在小空間內(nèi)，意味著智能電子設(shè)備更容易受到外部電磁環(huán)境的干擾。靜電放電（Electrostatic discharge，ESD）是這類電子產(chǎn)品發(fā)生故障的主要因素。ESD 發(fā)生時(shí)，通常伴隨著高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)、瞬時(shí)大電流和寬頻的電磁輻射，它將通過(guò)直接傳遞的傳導(dǎo)干擾和空間耦合的輻射干擾兩種方式影響電子產(chǎn)品的內(nèi)部電路，使電子產(chǎn)品的功能受到影響。這些影響分為軟失效（可恢復(fù)）和硬失效（受到不可逆的永久性破壞）兩種。

ESD 可分為接觸放電和空氣放電，其中空氣放電是實(shí)際生產(chǎn)生活中最主要的放電現(xiàn)象，也是對(duì)電子設(shè)備造成損傷或干擾的主要方式之一［1］?？諝夥烹娨资艿椒烹娀鸹ㄍǖ馈⒎烹婋妷旱拇笮∨c極性、氣體壓強(qiáng)、環(huán)境溫度濕度、電極接近速度等因素的影響，放電實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性比較低［2-3］。與依據(jù)IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)的放電實(shí)驗(yàn)相比，電磁仿真可以消除不同放電設(shè)備和不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境帶來(lái)的結(jié)果不確定性，具有良好的重復(fù)性，使得ESD 復(fù)雜多變的隨機(jī)過(guò)程相對(duì)可控。通過(guò)電磁仿真得到的信息更加豐富，可以快速定位易受ESD 影響的位置點(diǎn)、在PCB 板上的傳播路徑、信號(hào)傳輸所受干擾情況以及對(duì)特定芯片的影響等。

單純的電路分析方法忽略了ESD 電磁場(chǎng)的影響，無(wú)法定位放電過(guò)程中發(fā)生的故障在設(shè)備中所處的位置。單獨(dú)的電磁場(chǎng)求解器也無(wú)法考慮復(fù)雜的電路元件，如IC 芯片等，因此無(wú)法分析信號(hào)在傳輸過(guò)程中由于干擾所導(dǎo)致的信號(hào)錯(cuò)誤［4-7］。因此需要場(chǎng)路協(xié)同仿真方法來(lái)研究靜電放電對(duì)電子設(shè)備的影響，其將靜電放電發(fā)生器和待測(cè)電子設(shè)備放在一起考慮。待測(cè)電子設(shè)備中常見(jiàn)的一類是智能顯示終端，它通常包含帶有顯示屏的防護(hù)外殼、內(nèi)部PCB 板及板上的IC 芯片。場(chǎng)路協(xié)同仿真方法將整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分：電磁結(jié)構(gòu)和電路模塊。它采用時(shí)域有限差分法或有限元法等全波方法精確求解各種復(fù)雜的封裝和互連結(jié)構(gòu)，采用電路分析法求解電路模塊。然后通過(guò)接口將這兩部分耦合起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)與電路的協(xié)同仿真。該方法能夠準(zhǔn)確地描述高速集成電路中的電磁效應(yīng)，除了獲得電路中的電壓和電流信息外，還可以獲得電磁場(chǎng)信息。因此，該方法可以有效分析高速集成電路中的電磁兼容性、信號(hào)完整性、電磁干擾等問(wèn)題［8-9］。

CST Studio Suite 是一款高性能3D 電磁分析軟件包，用于設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化電磁組件和系統(tǒng)［10］。CST 微波工作室（MWS）和CST 設(shè)計(jì)工作室（DS）提供一個(gè)方便的接口，共同模擬電磁場(chǎng)和電路的交互效應(yīng)。本課題組前期基于場(chǎng)路協(xié)同仿真方法對(duì)接觸放電展開(kāi)了相關(guān)研究，將仿真與理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)場(chǎng)路協(xié)同仿真方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證［11-14］。

本文將基于場(chǎng)路協(xié)同仿真研究方法，結(jié)合三維全波仿真模型和電路模型，研究空氣靜電放電對(duì)智能顯示終端的影響。智能顯示終端包含帶有顯示屏的防護(hù)外殼及包含IC 芯片的PCB 電路板。智能顯示終端將與靜電放電發(fā)生器一起進(jìn)行聯(lián)合仿真，研究空氣靜電放電發(fā)生時(shí)的PCB 板上的信號(hào)傳輸情況及電磁場(chǎng)分布情況，為靜電放電防護(hù)提供有益的分析和指導(dǎo)。

2 場(chǎng)路協(xié)同仿真方法

2.1 空氣靜電放電SPICE 模型

空氣靜電放電的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）模型依據(jù)Rompe-Weizel 公式，如公式（1）所示［15］，將其描述成一個(gè)非線性網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)?；鸹娮柙诜烹姵跗?，電阻趨近于無(wú)窮大。在空氣擊穿過(guò)程中電阻迅速減小，同時(shí)與火花長(zhǎng)度成正比，即放電弧長(zhǎng)越大，電阻越大。該模型的本質(zhì)就是描述了空氣放電過(guò)程中電壓電流隨弧長(zhǎng)和時(shí)間的非線性變化關(guān)系。

式（1）中R（t）為火花電阻（Ω），s為火花長(zhǎng)度（m），i為放電電流（A），a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（0.5～1）×10-4m2·V-2·s-1。

2.2 智能顯示終端場(chǎng)路協(xié)同仿真流程及空氣靜電放電電路模型

圖1 為智能顯示終端場(chǎng)路協(xié)同仿真流程。（a）在MWS 工作室中建立靜電放電發(fā)生器的3D 全波模型，設(shè)置激勵(lì)端口、頻率帶寬、邊界條件、網(wǎng)格大小等；（b）和（c）分別導(dǎo)入PCB 模型和防護(hù)外殼結(jié)構(gòu)；（d）在DS 工作室中獲得與3D 全波模型相關(guān)聯(lián)的電路模塊；（e）給相應(yīng)的芯片端口添加IBIS（Input/Output Buffer Information Specification）模型；（f）添加空氣放電的SPICE 模型，并給IBIS 模型和SPICE 模型添加相應(yīng)的外部激勵(lì)。仿真采用純瞬態(tài)場(chǎng)路協(xié)同仿真，這種方法可以實(shí)時(shí)將當(dāng)前電路仿真的激勵(lì)轉(zhuǎn)化為在微波工作室（MWS）中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息，從而監(jiān)測(cè)整個(gè)空氣放電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)3D 全波模型仿真與電路級(jí)仿真的互相補(bǔ)充。

圖1 智能顯示終端場(chǎng)路協(xié)同仿真流程Fig.1 Flow diagram of field-circuit co-simulation in intelligent display terminals

圖2 為包含靜電放電發(fā)生器及智能顯示終端的三維全波仿真模型示意圖。智能顯示終端保護(hù)外殼的長(zhǎng)寬高為120 mm×82.5 mm×22.5 mm，主要擬合手機(jī)的尺寸，保護(hù)外殼主體的材質(zhì)為鋁金屬，正面嵌入了一塊97.5 mm×75 mm×1.5 mm的玻璃，模擬智能顯示終端的顯示屏。智能顯示終端橫放在靜電發(fā)生器上，一端有圓形的玻璃觸摸按鍵，放電點(diǎn)在此位置上，相對(duì)應(yīng)的另一端有正方形排孔，模擬智能顯示終端上的開(kāi)孔。此保護(hù)外殼與PCB 的連接方式為與PCB 的接地層通過(guò)4 個(gè)小接地電阻相連，然后將保護(hù)外殼與ESD 發(fā)生器的接地板用大電容相連。圖3 所示為智能顯示終端保護(hù)外殼內(nèi)的內(nèi)部PCB 板。內(nèi)部PCB 板主要用于CPU（IC100）與4 塊高速緩存（IC200-IC203）交換數(shù)據(jù)，整塊PCB 板大小為80 mm×60 mm，厚度為1.086 mm。CPU 與4 塊緩存的布線位于頂層與底層，中間層為電源與接地的布線。為了仿真空氣放電對(duì)電子設(shè)備信號(hào)線傳輸過(guò)程造成的干擾情況，本文在導(dǎo)入的PCB 中選取了一根信號(hào)線（ADDR5，位于IC100 與緩存IC200 之間的一根地址線），在信號(hào)傳輸線的兩端設(shè)置了兩個(gè)端口，分別為Port1 和Port2，如圖3 所示。內(nèi)部PCB 板處于xy平面上。

圖2 包含靜電放電發(fā)生器及智能顯示終端的三維全波仿真模型示意圖Fig.2 3D full-wave model including ESD generator and intelligent display terminal

圖3 內(nèi)部PCB 板Fig.3 Internal PCB board

圖4 為智能顯示終端添加IBIS 模型和空氣放電SPICE 模型后的空氣放電場(chǎng)路協(xié)同仿真電路圖。在3D 全波仿真模型對(duì)應(yīng)的電路模塊的Port4 上添加空氣放電SPICE 模型，通過(guò)激勵(lì)源1施加空氣放電的放電電壓，同時(shí)添加P3 電流探針來(lái)探測(cè)放電電流的情況。傳輸信號(hào)由激勵(lì)源2產(chǎn)生，其信號(hào)波形是幅值為1.8 V，頻率為100 MHz的周期性方波信號(hào)。激勵(lì)源3 為芯片的使能信號(hào)，此處為低電平使能。Port1 與Port2 為地址信號(hào)線兩端設(shè)置的端口，信號(hào)從IC100-C19 引腳處開(kāi)始，經(jīng)過(guò)3D 模型電路模塊中的ADDR5 地址線傳輸?shù)絀C200-36 端，在兩端分別添加P1 和P2 探針來(lái)探測(cè)信號(hào)變化情況。P1 和P2 探針實(shí)際上監(jiān)測(cè)的是地址信號(hào)線兩端Port1 和Port2 處的電壓信號(hào)。

圖4 包含芯片IBIS 模型和空氣放電SPICE 模型的場(chǎng)路協(xié)同仿真的電路模型Fig.4 Field-circuit co-simulation model including IBIS model and air discharge SPICE model

3 無(wú)ESD 激勵(lì)時(shí)信號(hào)傳輸情況

首先探究無(wú)外界激勵(lì)下的信號(hào)傳輸情況。將激勵(lì)源1 的激勵(lì)電壓設(shè)置為0 V，仿真時(shí)間設(shè)置為60 ns，此時(shí)探討的是無(wú)ESD 電壓激勵(lì)時(shí)，激勵(lì)源2 施加頻率為100 MHz，幅值為1.8 V 的周期性方波信號(hào)在電路中的傳輸情況，方便與后面施加放電電壓激勵(lì)時(shí)進(jìn)行比較。

圖5 為無(wú)ESD 激勵(lì)時(shí)，信號(hào)從源端到P1 再到P2 的傳輸情況。周期為100 MHz 的傳輸信號(hào)經(jīng)過(guò)IBIS 模型后發(fā)生了一定的畸變，信號(hào)上升時(shí)間增大，輸出信號(hào)延遲了約3 ns，在低電平時(shí)出現(xiàn)了較小的抖動(dòng)。整個(gè)信號(hào)的周期和幅值并沒(méi)有發(fā)生變化。信號(hào)從VP1到VP2的傳輸過(guò)程中，波形沒(méi)有發(fā)生變化，只是有略微的延遲。由圖5 可以看出，在沒(méi)有外界ESD 激勵(lì)影響的情況下，100 MHz 方波信號(hào)在傳輸時(shí)能夠保持信號(hào)特性，但在傳輸線IC100-C19 引腳處對(duì)應(yīng)的IBIS 模型相對(duì)原始輸入信號(hào)影響較大，這主要是CPU 芯片的IBIS 模型影響。

圖5 無(wú)ESD 時(shí)傳輸線信號(hào)傳輸情況Fig.5 Signal transmitting under no-ESD event

4 空氣放電模擬結(jié)果

其他設(shè)置不變，放電點(diǎn)放在觸摸玻璃按鍵中心進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真，分別仿真了0.3，0.5，0.7，1.1，1.3 mm 5 種弧長(zhǎng)下的空氣靜電放電對(duì)于放電電流、傳輸信號(hào)的影響［16］。小弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)空氣干燥，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)靜電發(fā)生器快速接近待測(cè)物體的情形；大弧長(zhǎng)則對(duì)應(yīng)空氣濕度比較大，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)靜電發(fā)生器接近待測(cè)物體的速度比較慢的情形；中等長(zhǎng)度的弧長(zhǎng)則對(duì)應(yīng)接近速度中等的典型狀態(tài)。

圖6 給出了不同弧長(zhǎng)下對(duì)接地板和對(duì)智能顯示終端放電的放電電流。從圖6 可以看出，與直接對(duì)接地板進(jìn)行放電得到的電流波形相比，對(duì)智能顯示終端放電的第一峰值的放電電流幅值較低，放電波形的第二波峰幾乎消失不見(jiàn)，大約在2 ns 就已衰減為mA 量級(jí)。這種差異主要是放電系統(tǒng)負(fù)載阻抗完全不同造成的，一個(gè)是直接對(duì)金屬接地板放電，而另一個(gè)則是智能顯示終端對(duì)玻璃介質(zhì)進(jìn)行放電。對(duì)接地板放電時(shí)，接地板與靜電放電發(fā)生器之間形成了良好的通路且阻抗較小；而對(duì)玻璃介質(zhì)來(lái)說(shuō)，除了系統(tǒng)的負(fù)載阻抗變大之外，電荷在玻璃介質(zhì)上的積累也阻擋了電流的進(jìn)一步升高。

圖6 不同弧長(zhǎng)下對(duì)待測(cè)物體的放電電流。（a）對(duì)接地板；（b）對(duì)智能顯示終端。Fig.6 Discharge current to device under test under different arc-length.（a）To ground；（b）To intelligent display terminal.

表1 為圖6（b）在不同弧長(zhǎng)下放電電流的具體參數(shù)。可以看出，隨著弧長(zhǎng)的增加，峰值上升時(shí)間是增加的，而電流峰值是減小的，同時(shí)波形前沿和后沿都變得平緩起來(lái)。在小間隙0.3 mm下峰值為4.75 A，只有對(duì)地放電電流的約1/7，大間隙1.3 mm 下僅有0.72 A。放電電流的上升速度是指單位時(shí)間內(nèi)電流上升幅值大小，為進(jìn)一步探究電流隨弧長(zhǎng)的變化情況，對(duì)不同弧長(zhǎng)下放電電流上升速度情況進(jìn)行擬合，如圖7所示。

表1 對(duì)智能顯示終端不同弧長(zhǎng)放電下峰值時(shí)間和電流峰值的變化情況Tab.1 Variation of peak-time and peak-current under different arc-length for discharging to intelligent display terminal

圖7 放電電流上升速度與弧長(zhǎng)關(guān)系的擬合曲線Fig.7 Fitting curve between the rising speed of discharging current and arc-length

從圖7 可知，放電電流的上升速度隨著弧長(zhǎng)增加呈指數(shù)減小，擬合公式如式（2）所示：

式中：s為放電弧長(zhǎng)，v為峰值電流上升速度。

由于空氣放電電弧電阻的變化是非線性的，而弧長(zhǎng)與電弧電阻是正比關(guān)系，因此放電電流與弧長(zhǎng)之間的關(guān)系也是非線性的。從物理意義來(lái)看，隨著放電間隙增加，相同的電場(chǎng)作用下電子漂移空間距離增加，到達(dá)陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的所需時(shí)間也增加，峰值上升時(shí)間就增加。單位體積內(nèi)的二次電子數(shù)量減小，碰撞和電離的空間電荷數(shù)量減小，電流峰值就減小，這同仿真結(jié)果具有一致性。

圖8 給出了8 kV 放電電壓、不同放電弧長(zhǎng)下空氣放電對(duì)傳輸信號(hào)的影響，以監(jiān)測(cè)的地址信號(hào)線兩端的電壓VP1和VP2來(lái)表征。對(duì)VP1來(lái)說(shuō)，信號(hào)擾動(dòng)集中在2 ns 之內(nèi)，且幅值在±0.2 V 范圍之內(nèi)，這是由于放電電流幅值較小，且在2 ns 之后電流就降至mA 量級(jí)，說(shuō)明影響主要集中在放電電流比較強(qiáng)的時(shí)間區(qū)域內(nèi)。從信號(hào)波形來(lái)看，空氣放電對(duì)VP2傳輸信號(hào)的影響明顯比對(duì)VP1的影響要大。在放電的前2 ns，VP2電壓的擾動(dòng)約為±0.6 V，是VP1擾動(dòng)的3 倍左右。VP2的抖動(dòng)一直持續(xù)到10 ns 之后才基本消失，說(shuō)明即使放電電流降至mA 量級(jí)之后空氣放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)傳輸過(guò)程中的信號(hào)仍然存在影響。

圖8 不同弧長(zhǎng)下探針P1 和P2 電壓波形變化。（a）VP1；（b）VP2。Fig.8 Voltage detected at probes P1 and P2.（a）VP1；（b）VP2.

圖9 給出了VP1和VP2信號(hào)擾動(dòng)電壓峰-峰值變化圖，從圖9 中可以看出，信號(hào)抖動(dòng)峰-峰值是隨弧長(zhǎng)非線性變化的。0.3 mm 小弧長(zhǎng)下，VP2抖動(dòng)電壓比VP1大約0.8 V，而1.3 mm 大弧長(zhǎng)時(shí)只有約0.08 V 的差距，說(shuō)明VP2抖動(dòng)峰-峰值的劇烈程度大于VP1，且弧長(zhǎng)越大，對(duì)傳輸信號(hào)的影響越小。研究結(jié)果表明，大弧長(zhǎng)下的空氣放電對(duì)信號(hào)干擾的影響相對(duì)較小。

圖9 VP1和VP2信號(hào)擾動(dòng)電壓峰-峰值變化圖Fig.9 Peak-peak voltage detected at P1 and P2 under different arc-length

為了更好地觀察給定點(diǎn)位置的電磁場(chǎng)大小以及整個(gè)仿真區(qū)域電磁場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化情況，仿真時(shí)添加了電磁場(chǎng)探針和電磁場(chǎng)表面監(jiān)視器。放電點(diǎn)與電磁場(chǎng)探針位置的示意圖如圖10所示，電磁場(chǎng)探針設(shè)置數(shù)量為2 個(gè)，分布位置在Port1 和Port2 端口的正上方（z方向）3 mm 處。由圖10 所示的透視圖中可以觀察到放電點(diǎn)A 與電磁場(chǎng)探針在xy方向上的相對(duì)位置分布。對(duì)Port1 和Port2 處探測(cè)獲得的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行坡印廷矢量計(jì)算來(lái)表征放電過(guò)程中這些位置的能量大小，結(jié)果如圖11 所示。

圖10 放電點(diǎn)與電磁場(chǎng)探針位置Fig.10 Discharge point and electromagnetic probe positions

圖11 不同弧長(zhǎng)Port1 和Port2 處的坡印廷矢量大小。（a）Port1；（b）Port2。Fig.11 Poynting vector magnitude at Port1 and Port2 under different arc-length.（a）Port1；（b）Port2.

由圖11可以看出，隨著弧長(zhǎng)不斷增加，坡印廷矢量大小即能流密度不斷減小。圖11（a）中Port1處的能量主要集中在放電的前1 ns 內(nèi)，在0.3 mm放電弧長(zhǎng)時(shí)，能流密度高達(dá)3.3×104W/m2，大弧長(zhǎng)時(shí)差別極大，差了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。能流密度值在2 ns 之后基本很小，這說(shuō)明在2 ns 以內(nèi)手機(jī)內(nèi)部的電路極易發(fā)生損傷。從各個(gè)放電弧長(zhǎng)來(lái)看，Port1 處的能流密度幅值要比Port2 處大，但由圖8 的信號(hào)電壓波形來(lái)看，VP2抖動(dòng)卻比VP1要大，說(shuō)明不僅僅是透過(guò)玻璃板和孔縫結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)有干擾，還有著信號(hào)在PCB 傳輸路徑中受到的傳導(dǎo)干擾的影響。信號(hào)線的不同終端所受的干擾影響不僅與電磁場(chǎng)輻射的強(qiáng)弱相關(guān)，也與PCB 板上的布線路徑和傳輸路徑相關(guān)，并不是輻射電磁場(chǎng)越強(qiáng)處所受干擾也越大。從圖11 還可以看出，Port2 處坡印廷矢量大小到達(dá)峰值的時(shí)間相較Port1 也有零點(diǎn)幾納秒的延遲，這是由于點(diǎn)Port1 與放電點(diǎn)的距離比點(diǎn)Port2 近，符合電磁波在空間傳播的特性。

上述研究結(jié)果表明，放電的前2 ns 是空氣放電可能對(duì)智能顯示終端產(chǎn)生影響的主要時(shí)間段。智能顯示終端內(nèi)部的PCB 板是最易受到電磁干擾影響的部分，內(nèi)部PCB 板上電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況也是需要重點(diǎn)關(guān)注的。在放電電壓為8 kV，放電弧長(zhǎng)為0.3 mm 情況下，選取了2 ns 內(nèi)的4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電場(chǎng)分布來(lái)探究電場(chǎng)變化情況，結(jié)果如圖12 所示。

由圖10 可知，放電點(diǎn)位于PCB 板左側(cè)。圖12 表明0.2 ns 時(shí)，PCB 板左側(cè)邊緣有微弱電場(chǎng)的存在；0.4 ns 時(shí)已經(jīng)逐步向右側(cè)擴(kuò)散；0.8 ns 時(shí)，左側(cè)的PCB 電場(chǎng)已經(jīng)小于右側(cè)。由于電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，板上邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度要高于內(nèi)部板上。PCB 板內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度最高為1.4×103V/m，而邊緣則可以高達(dá)4.5×103V/m，約為板內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)的3 倍。該結(jié)論對(duì)于芯片的ESD 防護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義，系統(tǒng)重要的芯片（CPU 等）要擺放于PCB 板中央位置，避免受到ESD 強(qiáng)電場(chǎng)沖擊。

圖12 PCB 板正面電場(chǎng)分布圖。（a）0.2 ns；（b）0.4 ns；（c）0.8 ns；（d）1.2 ns。Fig.12 Electric field norm on the internal PCB board.（a）0.2 ns；（b）0.4 ns；（c）0.8 ns；（d）1.2 ns.

放電電壓的大小對(duì)于智能顯示終端信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸残枰P(guān)注。放電點(diǎn)依舊為玻璃按鍵的中心，選取了0.5 mm 放電弧長(zhǎng)下不同電壓對(duì)VP1和VP2的信號(hào)的影響。仿真設(shè)置了5，8，10，12，15 kV 五種電壓等級(jí)。

圖13 所示為不同放電電壓下空氣放電電流的情況。可以看出隨著電壓增加，上升時(shí)間逐漸減小，電流峰值逐漸增加。對(duì)放電電流的上升速度與放電電壓的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合公式如式（3）所示：

圖13 不同放電電壓下的放電電流Fig.13 Discharge current at different discharge voltage

式中：Vc為放電電壓，v為電流峰值上升速度。

從式（3）可知，放電電流上升速度v和放電電壓Vc之間呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。從物理意義上講，當(dāng)固定放電間隙時(shí)，整個(gè)電流空間體積是不變的，當(dāng)激勵(lì)電壓不斷增大，外加電場(chǎng)強(qiáng)度增加，漂移的空間電子所受外力增加，加速度變大，電子到達(dá)陽(yáng)極時(shí)間會(huì)減小，同時(shí)空間電荷的碰撞和電離會(huì)增多，從而二次電子數(shù)量增加，電流幅值也會(huì)變大。這種指數(shù)變化規(guī)律也符合電子雪崩增長(zhǎng)的規(guī)律。

圖14 給出了不同放電電壓下探針P1 和P2處的電壓變化情況。由圖14 可知，對(duì)于VP1的影響主要在放電的前2 ns，在5～15 kV 的外界激勵(lì)中，抖動(dòng)峰值在±0.4 V 范圍之間，這是由于2 ns內(nèi)的空間電磁場(chǎng)變化比較劇烈。對(duì)于VP2信號(hào)，影響信號(hào)的時(shí)間一直持續(xù)到14 ns，尤其在前5 ns內(nèi)，擾動(dòng)幅值約為VP1的3 倍。在15 kV 放電電壓下，VP2的擾動(dòng)電壓甚至接近1.2 V，已比較接近1.8 V 的信號(hào)電平。也就是說(shuō)，高電壓下信號(hào)的擾動(dòng)值已比較接近信號(hào)電壓的幅值，可能會(huì)使得信號(hào)傳輸過(guò)程中的高低電平發(fā)生錯(cuò)誤，比如會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的高電平，造成信號(hào)的邏輯錯(cuò)誤，也就是電子設(shè)備的軟失效問(wèn)題。

圖14 不同放電電壓下探針P1 和P2 處的電壓變化。（a）VP1；（b）VP2。Fig.14 Voltage detected at probes P1 and P2 under different discharge voltage.（a）VP1；（b）VP2.

5 結(jié)論

本文將復(fù)雜PCB 板、保護(hù)外殼、芯片IBIS 模型、描述空氣放電的Rompe-Weizel 非線性電弧模型及靜電發(fā)生器模型整合在一起共同構(gòu)建完整的電子設(shè)備場(chǎng)路協(xié)同仿真模型，研究空氣放電對(duì)智能顯示終端的影響，包含放電電流、電磁場(chǎng)分布及信號(hào)傳輸情況。仿真結(jié)果表明，放電弧長(zhǎng)越長(zhǎng)，電流峰值越小，上升時(shí)間越長(zhǎng)。在空氣放電影響下，信號(hào)傳輸線的不同對(duì)終端處的干擾不同，且影響主要集中在前2 ns。信號(hào)線的不同終端所受的干擾影響不僅與電磁場(chǎng)輻射的強(qiáng)弱相關(guān)，也與PCB 板上的布線路徑和傳輸路徑相關(guān)，并不是輻射電磁場(chǎng)越強(qiáng)處所受干擾也越大。同時(shí)對(duì)空氣放電時(shí)，智能顯示終端內(nèi)部PCB 板上的電磁場(chǎng)分布情況亦可以監(jiān)控，可以發(fā)現(xiàn)重要的芯片要擺放于PCB 板中央位置，避免受到ESD 邊緣強(qiáng)電場(chǎng)的沖擊。當(dāng)空氣靜電放電電壓較高時(shí)，信號(hào)擾動(dòng)電壓有可能接近信號(hào)電平，造成信號(hào)的邏輯錯(cuò)誤，智能顯示終端將出現(xiàn)軟失效。本文通過(guò)對(duì)智能顯示終端場(chǎng)路協(xié)同仿真的研究，提出了一種實(shí)用的靜電放電仿真方法。通過(guò)場(chǎng)路協(xié)同仿真，分析了不同放電因素對(duì)電子產(chǎn)品的影響，為在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中降低靜電放電的影響提供了理論指導(dǎo)。此外，通過(guò)能流密度最大位置點(diǎn)或引腳電流位置可以預(yù)測(cè)硬失效，而通過(guò)信號(hào)干擾可以預(yù)測(cè)軟失效。然而，在未來(lái)還需要進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，以便更準(zhǔn)確地驗(yàn)證該方法。