一種無回跳特性TVS 的快速建模方法及驗證

韓昌霖，吳建飛，鄭亦菲，陳樂東，丁浩

（國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410000）

0 引言

瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor,TVS）作為一種常見的電磁防護(hù)器件，常用于靜電防護(hù)、浪涌防護(hù)、強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)等模塊的設(shè)計中，在這種應(yīng)用背景下必須關(guān)注TVS 的瞬態(tài)行為，即輸入信號后的瞬態(tài)響應(yīng)情況，以指導(dǎo)工程師進(jìn)行設(shè)計或仿真。由于這類模型具有高精度特點(diǎn)并與工藝相關(guān)，半導(dǎo)體公司往往并不會給出完整的模型，因此對TVS 建模就有十分重要的意義。相對精確的模型能夠有效預(yù)測TVS 面對各類電磁干擾事件時的行為，從而為器件選型和防護(hù)設(shè)計提供參考。

研究者們已提出了許多具有實(shí)際應(yīng)用價值的TVS模型。文獻(xiàn)[1]提出的模型模擬了TVS 的伏安特性曲線且實(shí)現(xiàn)簡單，但對于瞬態(tài)響應(yīng)模擬效果不佳；文獻(xiàn)[2]對有回跳特性（snapback）的TVS 進(jìn)行了建模，但沒有討論無回跳特性的TVS；文獻(xiàn)[3]建立了較為完整和通用的TVS 模型，能夠根據(jù)TVS 自身特性進(jìn)行調(diào)整，但建模難度較大，需要較多實(shí)測數(shù)據(jù)，且文中沒有給出模型各個參數(shù)對建模結(jié)果的具體影響；文獻(xiàn)[4]對文獻(xiàn)[3]的模型進(jìn)行了優(yōu)化，提升了該模型對具有復(fù)雜伏安特性TVS 的模型適應(yīng)性，但也沒有具體給出調(diào)整參數(shù)的方法。

本文基于文獻(xiàn)[3]的模型框架，給出了建模的具體過程并分析了模型中各個關(guān)鍵參數(shù)對建模精度的影響，并對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以使模型更加符合實(shí)際情況的方法進(jìn)行了討論。本文所給出的方法僅需要測試TVS 串聯(lián)和并聯(lián)的S參數(shù)及傳輸線脈沖（Transmission Line Pulse,TLP）注入的響應(yīng)結(jié)果，從而簡化了整個建模過程，降低了建模難度，且仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合。本文利用ADS 軟件建立了SP0201B-ELC-01UTG（以下簡稱SP0201）和SP0402B-ULC-01UTG（以下簡稱SP0402）的仿真模型，能夠直接運(yùn)用于仿真設(shè)計中，同時該方法能為其他無回跳特性TVS 的建模提供參考。

1 模型架構(gòu)分析

文獻(xiàn)[3]中提出了利用Spice 模型對TVS 進(jìn)行建模的方法，其電路的總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 TVS 模型總體架構(gòu)

每個分模塊功能如下：

1）L1、C1、R、R2共同構(gòu)成小信號模型，表示TVS 的插入損耗，其中R表示TVS 未工作時的等效電阻，接近于開路，電阻設(shè)置為1 MΩ；

2）D1、D2為極性選擇二極管，其特性為壓降很小的理想二極管，體現(xiàn)TVS 正向和反向接入電路的特性；

3）D5、D6為預(yù)鉗位模型，用來模擬TVS 發(fā)生回跳現(xiàn)象前的特性；

4）D3、D4用來模擬表示TVS 反向擊穿后的特性，此時TVS 具有極低的導(dǎo)通電阻可以泄放電流；

5）回跳延遲模型針對具有回跳特性的TVS 使用，能夠模擬TVS 的回跳電壓和回跳時間；

6）電導(dǎo)調(diào)制模型對所有TVS 都有效，能夠模擬TVS 的響應(yīng)速度和能量泄漏特性。

本文選擇建模的兩款無回跳特性TVS 型號分別為SP0201 和SP0402。由前文分析可知，回跳延遲模型和D5、D6只在有回跳特性的器件中有所體現(xiàn)，而無回跳特性器件不包含該部分，因此本文所采用的TVS 建模電路架構(gòu)如圖2 所示。相比于文獻(xiàn)[3]，該模型中省去了獲取回跳延遲模型和D5、D6的步驟，從而極大簡化了TVS 模型參數(shù)獲取的過程，降低了整體的建模難度。該模型除了無法模擬回跳過程以外，其余特性均無明顯變化，不會對仿真精度和模擬效果產(chǎn)生影響，能用于各類電子設(shè)備電磁防護(hù)設(shè)計仿真。

圖2 簡化后的TVS 模型總體架構(gòu)

2 模型構(gòu)建步驟

2.1 小信號模型

小信號模型電路結(jié)構(gòu)已在圖2 中給出。由于小信號模型全部由集總元件構(gòu)成，因此可以通過測量S參數(shù)得到TVS 的特性，并通過計算的方式獲取集總元件數(shù)值。計算過程如下：

式中：S21,s為TVS 串聯(lián)時測得的S21結(jié)果；ZS為阻抗；C1為小信號模型中的參數(shù)。通過串聯(lián)測試能得到C1的取值。

式中：ω為角頻率；C1、L1為小信號模型中的參數(shù)。得出C1后可 求出L1的值。

式中：S21,p為TVS 并聯(lián)時測得的S21結(jié)果；R2為小信號模型中的參數(shù)。通過并聯(lián)測試可得到R2的取值。

為了使測試結(jié)果更為準(zhǔn)確，應(yīng)盡量降低測試夾具的影響，本文采用Rogers 4350B 制作測試夾具，微帶線阻抗為50 Ω，將其兩端與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接即可測得S參數(shù)。

圖3 為測試夾具與待測件實(shí)物。

圖3 TVS 及測試夾具

除理論計算外，也可通過仿真擬合方式獲取小信號模型。利用電容可擬合器件串聯(lián)測試的結(jié)果，利用電感和電阻可擬合器件并聯(lián)測試的結(jié)果，擬合的集總元件值即為小信號模型中的參數(shù)。

圖4 和圖5 分別為SP0201 和SP0402 仿真擬合結(jié)果與實(shí)測S參數(shù)的對比。由圖可以看出，兩者趨勢和數(shù)值均差異不大，說明擬合有效。此時SP0201 和SP0402 對應(yīng)的L1、C1、R2分別為0.9 nH、0.09 pF、0.5 Ω 和1.3 nH、0.075 pF、1 Ω。

圖4 SP0201 測試與仿真擬合結(jié)果對比

圖5 SP0402 測試與仿真擬合結(jié)果對比

2.2 二極管模型

二極管模型包括D1和D2、D3和D4，其參數(shù)兩兩相同。D1為理想二極管，無需進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；D3為TVS 特性的關(guān)鍵部分，需要根據(jù)測試出的伏安特性進(jìn)行調(diào)整。利用TLP 測試方法獲取TVS 的伏安特性，注入的TLP 為上升沿10 ns、脈寬100 ns 的方波脈沖，獲取TVS 兩端的電壓和流經(jīng)TVS 的電流即可得到TVS 的伏安特性。再利用仿真軟件中的二極管模型與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比調(diào)整，最終得出與實(shí)際最接近的參數(shù)。

ADS 中的二極管模型包含許多參數(shù)，文獻(xiàn)[3]對一些參數(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)對伏安特性曲線影響較大的參數(shù)是發(fā)射系數(shù)N、飽和電流IS和等效電阻RS。其中，N和IS會將曲線左右平移，將N調(diào)小曲線會左移，將IS調(diào)小曲線會右移；RS影響曲線斜率，RS越小曲線越陡峭。

圖6 為利用ADS 進(jìn)行二極管擬合的電路圖，通過讀取不同輸入電壓下二極管的電壓和電流即能得到一條伏安特性曲線，利用該曲線與實(shí)測的伏安特性曲線對比并迭代參數(shù)可得最優(yōu)效果。

圖6 二極管仿真擬合電路

圖7 為兩種器件仿真擬合出的伏安特性曲線和實(shí)測結(jié)果的對比。由圖可知，兩種器件的仿真與實(shí)測較為一致，能夠較好地反映真實(shí)TVS 的特性，此時SP0201和SP0402 對應(yīng)的N、IS、RS分別為11.5、4×10-15A、0.58 Ω 和12、4×10-15A、1.1 Ω。

圖7 仿真與實(shí)測伏安特性對比

2.3 電導(dǎo)調(diào)制模型

電導(dǎo)調(diào)制模型主要是適配TVS 的瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果，在ADS 中搭建模型得到的內(nèi)部電路和關(guān)鍵參數(shù)如圖8所示。

圖8 電導(dǎo)調(diào)制模型電路

圖8 中端口1 連接D1、D2，端口2 連接D3、D4，流控電流源CCCS 的作用是將端口1 的電流轉(zhuǎn)化到電容C2上，直流電源和2 個二極管的作用是提升模型的收斂性，C2和SWITCHV1 是該模型中的關(guān)鍵模塊，模擬了電導(dǎo)調(diào)制過程，最主要的影響參數(shù)是C2、R1和V2，V1為關(guān)斷電壓，設(shè)為0 V，R2為導(dǎo)通后電阻，設(shè)為1 mΩ。將V2、C2、R1變小會減小尖峰泄漏的大小，同時降低尖峰泄漏持續(xù)時間，圖9 直觀展現(xiàn)了這一變化。根據(jù)器件的實(shí)際響應(yīng)波形，可調(diào)整這3 個參數(shù)使其與實(shí)測結(jié)果更加吻合。

圖9 不同參數(shù)仿真時尖峰泄漏變化對比

下面將分析各個參數(shù)對于尖峰的影響。

V2和C2主要模擬了電荷注入的過程，將V2和C2變大，電荷注入量增加和電導(dǎo)調(diào)制的過程延長，即TVS 導(dǎo)通越慢，尖峰越大，二者與注入電荷Q的關(guān)系如下：

R1代表TVS 導(dǎo)通前的電阻，將R1變大意味著導(dǎo)通前后的電阻差值越大，即電阻變化所需時間更長，在電阻變化過程中，TVS 仍將有一段時間處于未導(dǎo)通狀態(tài)，因此尖 峰越大。SP0201 和SP0402 對應(yīng)的C2、R1和V2分別為300 pF、100 Ω、8 V 和500 pF、200 Ω、3 V。

3 模型效果驗證

最終建立的SP0201 和SP0402 模型如圖2 所示，將電導(dǎo)調(diào)制模型替換為圖8 即可，其關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 SP0201 和SP0402 的模型參數(shù)

模型驗證采用TLP 測試結(jié)果，選擇TVS 未工作（輸入電壓4.4 V）、即將工作（輸入電壓10 V）和開始工作（輸入電壓15 V）三種狀態(tài)，SP0201 的仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比如圖10 所示，主要關(guān)注脈沖上升沿和平坦部分的波形。由圖可以看出，SP0201 模型在三種狀態(tài)下的仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合，但還存在兩個問題：上升沿處略有不一致，輸入電壓較大時平坦部分有差異。

圖10 不同輸入電壓下SP0201 仿真實(shí)測波形對比

出現(xiàn)這種情況主要有以下原因：

一是實(shí)際器件中存在一定的反射信號，而在仿真中無法對這一現(xiàn)象進(jìn)行精確模擬；

二是TLP 測試得出的伏安特性曲線中的電壓和電流為一段時間的平均值，從而導(dǎo)致平坦部分不完全一致，且本身利用二極管擬合實(shí)際器件伏安特性過程中也存在一定偏差。

從總體上看，模型與器件實(shí)際響應(yīng)較為符合，能夠反映器件的瞬態(tài)特性，尖峰部分和平坦部分的電壓值最大誤差小于10%，該模型的精度足以用于TVS 的瞬態(tài)仿真。

SP0402 的仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比如圖11 所示。由圖可以看出其效果與SP0201 類似，仍存在一樣的現(xiàn)象，尖峰部分和平坦部分的電壓值最大誤差仍小于10%，模型精度足以用于TVS 的瞬態(tài)仿真。

圖11 不同輸入電壓下SP0402 仿真實(shí)測波形對比

本文建立模型所需參數(shù)和測試方法與文獻(xiàn)[3]所需參數(shù)和測試方法對比如表2 所示。

表2 建模所需參數(shù)和測試方法對比

以上結(jié)果表明，與文獻(xiàn)[3]相比，本文構(gòu)建的仿真模型無需使用VF-TLP 測試，且建模所需參數(shù)減少4個，因此能夠較為快速地對TVS 進(jìn)行建模。從仿真結(jié)果來看，仿真與實(shí)測結(jié)果吻合較好，可支持利用TVS 進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計。目前，還沒有關(guān)于這兩款TVS 的仿真模型被公開報道。

4 結(jié)論

本文針對文獻(xiàn)[3]中TVS 仿真模型架構(gòu)相對復(fù)雜且參數(shù)較多的問題，進(jìn)行了模型簡化，將建模參數(shù)從11 個削減為7個，降低了整體的建模難度。通過對SP0201 和SP0402 兩款無回跳特性TVS 進(jìn)行全流程建模，分析了各個關(guān)鍵參數(shù)對建模精度的影響，并利用S參數(shù)和TLP測試完成了建模，文中提供了完整的仿真模型。仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)對比表明，本文方法建立的模型與實(shí)測結(jié)果吻合較好，可支撐TVS 瞬態(tài)行為預(yù)測，該建模方法也可運(yùn)用于其他無回跳特性的TVS 建模。本文兩款TVS 模型未見報道，可直接在相關(guān)研究中應(yīng)用。

注：本文通訊作者為吳建飛。