优化ESD RF前端设计要考虑哪些因素？

在了解了ESD的基本概念及其与用于板载ESD保护的工具和组件后，Qorvo将全面介绍静电放电和移动设备ESD系统设计建模技术和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。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。

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。

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。

1、使用IEC61000-4-2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。

2、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。

3、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

4、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。

5、确定实现板载ESD保护所需的组件

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。

6、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。

7、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。

8、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。