過渡電圧抑制（TVS）ダイオードは、静電気放電（ESD）事象に関連するサージ電圧から電子回路を保護するのに役立ち、一般的にI/Oライン、オーディオ・ハードウェア、ヒューマン・インターフェース・デバイス、電源、およびアンテナのRFフロントエンド（RFFE）と並んで配置されます。
TVSダイオードのシミュレーションには、ある課題があります。全波時間領域電磁（EM）ソルバは、デバイスの3次元CAD形状を解析することができますが、回路部品モデルは限られています。あるいは、回路ソルバは複雑な非線形素子をシミュレーションできますが、3次元電磁効果や信号遅延は、インダクタやコンデンサ、あるいは伝送線路のような分散素子として近似されます。
この論文では、3次元全波電磁界シミュレーションの長所と回路ソルバーの柔軟性を組み合わせたXFdtdの過渡電磁界/回路コ・シミュレーション機能を紹介します。このアプローチでは、フルウェーブ・シミュレーションに過渡非線形回路ソルバーを組み込むことで、すべての電磁気現象が単一の時間領域シミュレーションで説明できるようになります。
外部アンテナに接続されたRFFE
一例として、本稿ではマッチングネットワークの回路を保護するTVSダイオードを考察する。モトローラ・モビリティ社から3次元CADモデルが提供され、それをデモ用に修正して、単純な直列コンデンサとシャント・インダクタを使用してマッチングされた外部アンテナが含まれるようにした。TVSダイオードは、集積チップ（IC）端子として機能する50Ω抵抗と同様に、これらのコンポーネントを保護する。
15kVの人体モデル（HBM）波形を使用した電流源を備えたESDガンが外部アンテナに印加される。TVS ダイオードはマッチングネットワークの前に配置され、サージ電流をグランドにリダイレクトします。メーカーは、この TVS ダイオードの電流電圧特性を等価 SPICE 回路モデルとして提供しました。
FDTDによる全波電磁界シミュレーション
有限差分時間領域(FDTD)解法は、マクスウェル方程式に基づく全波技術です。3次元CAD形状は直線のセルに離散化され、材料特性は各セルエッジに関連付けられます。
FDTDシミュレーションの開始時には、すべての場がゼロに初期化され、電流源が15 kVのHBM入力波形に基づいてESDガンの先端のシミュレーション空間に場を導入します。シミュレーションが進むにつれて、電磁界は空間を伝搬し、途中で3次元材料構造と相互作用します。
TVS ダイオードの回路モデルは、従来の FDTD 法では未知の概念です。全波方程式は、複雑な非線形コンポーネントを通る電圧と電流を計算しないため、従来のFDTDシミュレーションでは、保護されていないICを使用したESDイベントしかシミュレーションできません。
各セルエッジには関連する電場があり、時間によって変化する。各セルエッジは4つの磁場にも囲まれており、これらの磁場は対応する電流を計算するために使用される。このようにして、ソースとIC端子の両方の電流が時間の関数として計算される。この保護されていない構成では過渡電流が大きい。
回路シミュレーション
回路シミュレータのシミュレーション空間は、端子、要素、エッジで定義される。このネットワークは、構成要素とその接続情報を記述するノード行列方程式に定式化されます。反復ソルバーは、主にキルヒョフの電流法則（KCL）に基づいて非線形方程式系を計算します。この法則は、どのノードから出る電流の代数和もゼロでなければならないと定めています。
この例では、15 kVのHBM波形を採用した電流源が整合ネットワークとIC端子に接続されている。TVSダイオードは整合ネットワークの前に配置されている。
デバイスの3次元形状は、回路シミュレーションでは考慮されていない。伝送線路や構造上のインダクタンスやキャパシタンスなど、形状の挙動に関する予備知識があれば、回路要素を追加することができる。しかし、それは構造の電磁的影響の推定に過ぎない。
IC端子の電流が時間の関数としてプロットされている。時間領域でのばらつきのなさは、3Dモデルの表現が単純化されすぎていることを示している。
過渡電磁界/回路コ・シミュレーション
XFdtdの過渡EM/回路コ・シミュレーションでは、1つのシミュレーションで両方の計算手法を同時に使用します。全波FDTDシミュレーションのセルエッジは、回路ソルバーのTVSダイオードにまたがる一対の端子にリンクされます。回路ソルバーのシミュレーション空間は、TVSダイオード回路モデルに関連する2つの端子、6つの要素、および多数のエッジのみに縮小されます。
回路ソルバーのタイムス テップは FDTD のタイムス テップと同期している。各タイムス テップで、FDTD ソルバーはセル・エッジの電流を 回路ソルバーに渡し、回路ソルバーは TVS ダイオードの連立方程式を計算します。その後、FDTDソル バーは電圧をFDTDソルバーに返し、FDTDシミュレー ション空間にダイオードの効果を取り込みます。
TVSダイオードによる保護は、ダイオードを含む過渡EM/回路コ・シミュレーションと、ダイオードを含まないFDTDシミュレーションの結果を比較すると明らかである。ダイオードが存在すると、IC端子の電流が大幅に減少します。
プロテクションの検証に加え、時間領域電圧のリンギングは、すべての電磁現象が説明されていることを確認します。リンギングは、誘導特性と静電容量特性、および近隣の構造物との結合によって発生します。
概要
TVSダイオード保護を効果的にシミュレーションするには、全波電磁ソルバーに過渡非線形回路ソルバーを組み込む必要があります。このタイプのシミュレーションは、回路モデルの複雑な非線形挙動だけでなく、3次元CADジオメトリからすべての電磁気現象を同時に捕捉します。ESDエンジニアはXFdtdでこのシミュレーション手法を適用することで、デバイス保護対策を解析し、ESDイベントをより効果的に緩和することができます。
