Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) schützen elektronische Schaltungen vor Überspannungen, die bei elektrostatischen Entladungen (ESD) auftreten können. Sie werden üblicherweise neben E/A-Leitungen, Audio-Hardware, Schnittstellengeräten, Stromversorgungen und dem RF-Front-End (RFFE) einer Antenne eingesetzt.
Die Simulation von TVS-Dioden ist mit gewissen Herausforderungen verbunden. Elektromagnetische (EM) Solver im Vollwellen-Zeitbereich können die 3-D-CAD-Geometrie eines Bauelements analysieren, aber die Modelle der Schaltungskomponenten sind begrenzt. Alternativ können Schaltkreissolver komplexe nichtlineare Elemente simulieren, aber 3-D-EM-Effekte und Signalverzögerungen werden als Induktoren, Kondensatoren oder verteilte Elemente, wie z. B. eine Übertragungsleitung, approximiert.
In diesem Beitrag wird die transiente EM/Schaltungs-Cosimulation von XFdtd vorgestellt, die die Stärken der elektromagnetischen 3-D-Vollwellensimulation mit der Flexibilität von Schaltungslösern kombiniert. Dieser Ansatz bettet einen transienten nichtlinearen Schaltungslöser in die Vollwellensimulation ein, so dass alle elektromagnetischen Phänomene in einer einzigen Simulation im Zeitbereich berücksichtigt werden.
RFFE an eine externe Antenne angeschlossen
Als Beispiel wird in dieser Arbeit eine TVS-Diode betrachtet, die die Schaltung eines Anpassungsnetzwerks schützt. Motorola Mobility stellte das 3D-CAD-Modell zur Verfügung, das dann zu Demonstrationszwecken so modifiziert wurde, dass es eine externe Antenne enthält, die mit einem einfachen Reihenkondensator und einer Shunt-Induktivität angepasst wurde. Die TVS-Diode schützt diese Komponenten sowie einen 50-Ohm-Widerstand, der als Anschluss für den integrierten Chip (IC) dient.
Eine ESD-Pistole mit einer Stromquelle, die eine 15 kV-Wellenform des Human Body Model (HBM) verwendet, wird an die externe Antenne angelegt. Die TVS-Diode befindet sich vor dem Anpassungsnetzwerk und leitet den Stoßstrom zur Erde um. Der Hersteller hat die Strom-Spannungs-Kennlinien dieser TVS-Diode als äquivalentes SPICE-Schaltungsmodell zur Verfügung gestellt.
Full-Wave EM-Simulation mit FDTD
Die Finite-Difference-Time-Domain (FDTD)-Lösung ist ein Vollwellenverfahren auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen. Die 3D-CAD-Geometrie wird in geradlinige Zellen diskretisiert und jeder Zellkante wird eine Materialeigenschaft zugeordnet.
Zu Beginn der FDTD-Simulation werden alle Felder auf Null initialisiert und die Stromquelle führt Felder in den Simulationsraum an der Spitze der ESD-Pistole ein, die auf der 15 kV HBM-Eingangswellenform basieren. Im weiteren Verlauf der Simulation breiten sich die elektromagnetischen Felder im Raum aus und interagieren unterwegs mit 3-D-Materialstrukturen.
Das TVS-Dioden-Schaltungsmodell ist ein unbekanntes Konzept im Sinne der traditionellen FDTD-Methodik. Vollwellengleichungen berechnen nicht die Spannungen und Ströme durch die komplexe nichtlineare Komponente, und eine herkömmliche FDTD-Simulation kann daher nur das ESD-Ereignis mit einer ungeschützten IC simulieren.
Jedem Zellenrand ist ein elektrisches Feld zugeordnet, das sich mit der Zeit ändert. Jeder Zellenrand ist außerdem von vier Magnetfeldern umgeben, die zur Berechnung des entsprechenden Stroms verwendet werden. Auf diese Weise werden die Ströme sowohl an der Quelle als auch am IC-Anschluss in Abhängigkeit von der Zeit berechnet. In dieser ungeschützten Konfiguration sind die transienten Ströme hoch.
Schaltungssimulation
Der Simulationsraum für Schaltungssimulatoren wird in Form von Anschlüssen, Elementen und Kanten definiert. Dieses Netzwerk wird in einer Knotenmatrixgleichung formuliert, die die Komponenten sowie deren Konnektivitätsinformationen beschreibt. Ein iterativer Solver berechnet das nichtlineare Gleichungssystem, das in erster Linie auf dem Kirchoff'schen Stromgesetz (KCL) basiert, das besagt, dass die algebraische Summe der Ströme, die einen beliebigen Knoten verlassen, Null sein muss.
In diesem Beispiel ist die Stromquelle mit einer 15 kV HBM-Wellenform an das Anpassungsnetzwerk und die IC-Anschlüsse angeschlossen. Die TVS-Diode befindet sich vor dem Anpassungsnetzwerk.
Die 3-D-Geometrie des Geräts bleibt bei der Schaltungssimulation unberücksichtigt. Bei Vorkenntnissen über das Verhalten der Geometrie - wie Übertragungsleitungen und strukturelle Induktivität und Kapazität - könnten zusätzliche Schaltungselemente hinzugefügt werden. Dies wäre jedoch nur eine Schätzung der elektromagnetischen Auswirkungen der Struktur.
Der Strom am IC-Anschluss ist als Funktion der Zeit aufgetragen. Die fehlende Variabilität im Zeitbereich deutet auf eine zu stark vereinfachte Darstellung des 3-D-Modells hin.
Co-Simulation von transienten EM/Schaltungen
Die transiente EM-/Schaltungs-Cosimulation von XFdtd verwendet beide Berechnungsmethoden gleichzeitig in einer einzigen Simulation. Eine Zellkante in einer Vollwellen-FDTD-Simulation ist mit dem Paar von Anschlüssen verbunden, die die TVS-Diode im Schaltungslöser umspannen. Der Simulationsraum des Schaltungslösers wird auf die zwei Anschlüsse, sechs Elemente und zahlreiche Kanten reduziert, die mit dem TVS-Dioden-Schaltungsmodell verbunden sind.
Der Zeitschritt des Schaltungslösers ist mit dem FDTD-Zeitschritt synchronisiert. Bei jedem Zeitschritt gibt der FDTD-Solver den Strom der Zellkante an den Circuit Solver weiter, der das Gleichungssystem der TVS-Diode berechnet. Anschließend gibt er die Spannung zur Verwendung an den FDTD-Solver zurück, wodurch der Diodeneffekt in den FDTD-Simulationsraum einbezogen wird.
Der Schutz, den eine TVS-Diode bietet, wird deutlich, wenn man die Ergebnisse einer transienten EM/Schaltungs-Cosimulation mit einer Diode und einer FDTD-Simulation ohne Diode vergleicht. Der Strom am IC-Anschluss wird durch die Diode erheblich reduziert.
Neben der Überprüfung des Schutzes bestätigt das Klingeln in der Zeitbereichsspannung, dass alle elektromagnetischen Phänomene berücksichtigt werden. Das Klingeln wird durch die induktiven und kapazitiven Eigenschaften und die Kopplung mit benachbarten Strukturen verursacht.
Zusammenfassung
Die wirksame Simulation des TVS-Diodenschutzes erfordert einen transienten nichtlinearen Schaltungslöser, der in einen elektromagnetischen Vollwellenlöser eingebettet ist. Diese Art der Simulation erfasst gleichzeitig alle elektromagnetischen Phänomene der 3-D-CAD-Geometrie sowie das komplexe nichtlineare Verhalten des Schaltungsmodells. ESD-Ingenieure können diese Simulationstechnik in XFdtd anwenden, um Schutzmaßnahmen für Bauelemente zu analysieren und ESD-Ereignisse effektiver abzumildern.
