Los diodos de supresión de tensiones transitorias (TVS) ayudan a proteger los circuitos electrónicos de las sobretensiones asociadas a un evento de descarga electrostática (ESD) y suelen colocarse junto a las líneas de E/S, el hardware de audio, los dispositivos de interfaz humana, las fuentes de alimentación y el extremo frontal de RF (RFFE) de una antena.
La simulación de diodos TVS presenta ciertos retos. Los solvers electromagnéticos (EM) de dominio temporal de onda completa pueden analizar la geometría CAD tridimensional de un dispositivo, pero los modelos de los componentes del circuito son limitados. Por otra parte, los solvers de circuitos pueden simular elementos no lineales complejos, pero los efectos EM tridimensionales y el retardo de la señal se aproximan como inductores, condensadores o elementos distribuidos, como una línea de transmisión.
Este artículo presenta la capacidad de co-simulación EM/circuito transitorio de XFdtd, que combina la fuerza de la simulación electromagnética 3-D de onda completa con la flexibilidad de los solucionadores de circuitos. Este enfoque integra un solucionador de circuitos no lineales transitorios en la simulación de onda completa, de modo que todos los fenómenos electromagnéticos se tienen en cuenta en una única simulación en el dominio del tiempo.
RFFE conectada a una antena externa
Como ejemplo, en este documento se considera un diodo TVS que protege los circuitos de una red de adaptación. Motorola Mobility proporcionó el modelo CAD tridimensional, que se modificó con fines de demostración para incluir una antena externa adaptada mediante un simple condensador en serie y un inductor en derivación. El diodo TVS protege estos componentes, así como una resistencia de 50 ohmios que actúa como terminal del chip integrado (IC).
Se aplica a la antena externa una pistola ESD con una fuente de corriente que utiliza una forma de onda de modelo de cuerpo humano (HBM) de 15 kV. El diodo TVS se coloca delante de la red de adaptación, redirigiendo la corriente de sobretensión a tierra. El fabricante proporcionó las características de corriente-tensión de este diodo TVS como modelo de circuito SPICE equivalente.
Simulación EM de onda completa con FDTD
La solución FDTD (finite-difference time-domain ) es una técnica de onda completa basada en las ecuaciones de Maxwell. La geometría CAD 3D se discretiza en celdas rectilíneas y a cada borde de celda se le asocia una propiedad material.
Al principio de la simulación FDTD, todos los campos se inicializan a cero y la fuente de corriente introduce campos en el espacio de simulación en la punta de la pistola ESD basándose en la forma de onda de entrada HBM de 15 kV. A medida que avanza la simulación, los campos electromagnéticos se propagan por el espacio e interactúan con las estructuras materiales tridimensionales.
El modelo de circuito del diodo TVS es un concepto desconocido para la metodología FDTD tradicional. Las ecuaciones de onda completa no calculan la tensión y las corrientes a través del complejo componente no lineal, por lo que una simulación FDTD tradicional sólo puede simular el evento ESD con un CI desprotegido.
Cada borde de celda tiene asociado un campo eléctrico que varía con el tiempo. Cada borde de celda también está rodeado por cuatro campos magnéticos, que se utilizan para calcular la corriente correspondiente. De este modo, las corrientes tanto en la fuente como en el terminal del circuito integrado se calculan en función del tiempo. Las corrientes transitorias son elevadas en esta configuración sin protección.
Simulación de circuitos
El espacio de simulación de los simuladores de circuitos se define en términos de terminales, elementos y aristas. Esta red se formula en una ecuación matricial nodal que describe los componentes, así como su información de conectividad. Un solucionador iterativo calcula el sistema no lineal de ecuaciones basándose principalmente en la Ley de Corrientes de Kirchoff (KCL), que establece que la suma algebraica de las corrientes que salen de cualquier nodo debe ser cero.
En este ejemplo, la fuente de corriente que emplea una forma de onda HBM de 15 kV está conectada a la red de adaptación y a los terminales del CI. El diodo TVS se coloca antes de la red de adaptación.
La geometría tridimensional del dispositivo no se tiene en cuenta en la simulación del circuito. Si se tiene un conocimiento previo del comportamiento de la geometría -como las líneas de transmisión y la inductancia y capacitancia estructurales-, podrían añadirse elementos de circuito adicionales. Sin embargo, se trataría sólo de una estimación de los efectos electromagnéticos de la estructura.
La corriente en el terminal IC se representa en función del tiempo. La falta de variabilidad en el dominio temporal indica una representación demasiado simplificada del modelo tridimensional.
Co-simulación de transitorios EM/Circuito
La co-simulación transitoria EM/circuito de XFdtd utiliza ambas técnicas computacionales simultáneamente en una única simulación. Un borde de celda en una simulación FDTD de onda completa está vinculado al par de terminales que abarcan el diodo TVS en el solver del circuito. El espacio de simulación del solucionador de circuitos se reduce a sólo los dos terminales, seis elementos y numerosos bordes asociados con el modelo de circuito del diodo TVS.
El paso de tiempo del solucionador de circuitos está sincronizado con el paso de tiempo FDTD. En cada paso de tiempo, el solver FDTD pasa la corriente del borde de la celda al solver del circuito, que calcula el sistema de ecuaciones del diodo TVS. A continuación, devuelve la tensión al solver FDTD para su uso, incluyendo así el efecto del diodo en el espacio de simulación FDTD.
La protección que proporciona un diodo TVS queda patente al comparar los resultados de una co-simulación transitoria EM/circuito que contiene un diodo y una simulación FDTD sin él. La corriente en el terminal IC se reduce significativamente cuando el diodo está presente.
Además de verificar la protección, el zumbido en la tensión en el dominio temporal confirma que se han tenido en cuenta todos los fenómenos electromagnéticos. El zumbido se debe a las propiedades inductivas y capacitivas y al acoplamiento con estructuras cercanas.
Resumen
Para simular eficazmente la protección de diodos TVS es necesario integrar un solver de circuitos no lineales transitorios en un solver electromagnético de onda completa. Este tipo de simulación captura simultáneamente todos los fenómenos electromagnéticos de la geometría CAD tridimensional, así como el complejo comportamiento no lineal del modelo de circuito. Los ingenieros de ESD pueden aplicar esta técnica de simulación en XFdtd para analizar las medidas de protección de los dispositivos y mitigar los eventos de ESD con mayor eficacia.
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