0 引言
ESD电子枪的全尺寸建模对于电子枪内部器件的还原度虽然很高，但是该方法受限于时域算法，需要许多时间步长来稳定静态场，并且需要许多单元才能达到所需的精度，非常耗时，且对于大多数的ESD应用场景来说，并不需要充分考虑其内部的物理过程。 关于全尺寸建模，参考文献[1]中给出了具体的建模和仿真分析过程，本文不做赘述。
这样的技术背景下，ESD电子枪的简化等效建模，虽然不能如全尺寸建模一样可以准确地模拟电子枪放电过程所产生的电磁场效应，但是，对于电流在EUT中的注入和返回过程的模拟精度并不低，并且大幅降低了仿真所需的时间，在经济性和效率之间权衡考虑，是当下最为可行的ESD仿真应用解决方案。
01 ESD电子枪的等效建模
等效建模的策略是，针对实际ESD发生器中的继电器、脉冲形成网络、接地母线进行等效数值模拟，重要器件的物理结构则以金属模块化的形式进行填充，这样在保证还原真实的电子枪尺寸的同时，也可以获取较为准确的注入电流脉冲波形。
关于等效建模，参考文献[2]中给出了具体的建模和仿真分析过程，本文不做赘述。
02 ESD电子枪等效模型的激励波形校准
开始使用该等效模型进行具体仿真之前，了解其产生的注入电流是否符合设计标准是至关重要的，这将决定所做的仿真结果的准确性以及与实际现象的吻合度。 在IEC61000-4-2技术标准中，典型的静电放电波形是在一个专用实验装置中的2Ω测试负载上产生，并由示波器测量出其等效电流波形。
以人体指尖模拟放电为例，从电路形式可以看出，静电放电输出能量分为两个波段：第一波段的上升时间很短(0.7~1ns)，但电流峰值极高，它反映了电荷立即从手臂释放的结果，实际上是探针的自由空间电容的放电波形；第二波段(10~60ns)是反映身体累积电荷释放的结果，实际上就是150pF电容的放电波形。 真实情况中，电子枪在长时间使用之后，都需要在专业实验室中进行这样的校准，以确保其每次输出能量的稳定性。
同理，很多论文在展开分析讨论之前，都会先完成所用模型的校准对比环节，如文献[3]所述，有条件的情况下，设计者甚至可以将所建模的仿真结果、真实的测试结果和标准波形进行三者的对比，如出现大的偏差，还需要对参数进行微调，以使得等效建模的结果更具有可信度和说服力。
03 基于ESD电子枪等效模型的仿真案例分享
案例01
完成调参校准后，如何使用这个电子枪模型进行建模仿真，参考文献[4]给出了两个简易但经过实验论证的例子，本人也亲测过，利用自建的电子枪模型确实也可以高度还原出该文献中的结果（详见扩展阅读[1]），建议在开始正式的仿真任务之前，先拿这两个示例验证下所用电子枪仿真模型以及仿真环境配置参数的合理性。
案例02
参考文献[5]展示了利用上述ESD电子枪建模方法所做的一个更为复杂的测试案例，该案例设计也是为了验证所使用的电子枪等效模型的通用性，测试装置如下图所示，被设计用于预测同轴电缆中的ESD诱导放电现象。 示波器被放置在左侧的金属屏蔽体中，该屏蔽体与金属地面之间通过四个金属垫块相连，用RG58同轴电缆作为测试电缆，其一端的屏蔽层通过BNC连接器与金属屏蔽体相连，另一端的屏蔽层被夹在一个与金属地板直接接触的小屏蔽盒上，电缆的内芯线，左侧由示波器的50欧姆输入端接，右侧端接50欧姆的电阻负载，电缆整体摆放在离金属地面6cm的绝缘泡沫上。
在5kV的接触模式下，电子枪对金属屏蔽体外壳的不同点进行多次放电，并分别获取此时示波器上的电压波形，结果显示该模型获取的仿真数据与测试数据保持了很好的一致性，对具体内容感兴趣，可以详细阅读这篇论文。
案例03
国内在ESD仿真方面的研究也从未停止过，从最新发布的论文成果中，也有利用等效的ESD电子枪模型进行复杂问题的简化研究，参考文献[6]中，通过构建一种简易的静电放电测试台架，研究了微带线在导体传导途径中所引发的ESD电压耦合现象，并通过与仿真数据的对比，验证了该测试方法的可靠性。从研究手法上来看，与国外的策略基本相同，得到的最终数据，也较为可信，如下图所示，为该论文中所展示的真实测试台架和仿真环境，对具体内容感兴趣，可以详细阅读这篇论文。
04 ESD的极简仿真方法
除上述的两种电子枪建模方式外，还有一种极简的建模方式，就是仅仅关注注入电流的准确性，而完全不关心电子枪的构造和具体尺寸，参考文献[7]对此进行了深入的探讨，但是，这种方式有很大的局限性，一方面不可以模拟出真实的电磁场分布，另一方面其电流分布的准确度受限于EUT的尺寸，通常尺寸越小，EUT中分布电流仿真效果越好，该论文也正是基于手机的失效事件展开的分析研究，手机就是一个尺寸相对较小的EUT。而注入电流来源于两个方面：一方面可以通过电路模拟的形式获取（可参考扩展阅读[2]），一方面可以导入真实的电子枪测试波形。
总结
综上所述，ESD的仿真分析，重点在于如何进行合理的等效建模以及测试台架的搭建，这对于设计者的仿真和测试能力均提出了较高的要求，只有在实践中不断地进行摸索及完善，并广泛地吸取前人的理论和经验总结，方可达到有效设计的目的。
参考文献：
[1] Full wave model for simulating a Noiseken ESD generator, Dazhao Liu, Argha Nandy.
[2] Numerical mdeling of electrostatic discharge generators, Kai Wang, David Pommerenke.
[3] Numerical prediction and measurement of ESD radiatied fields by free-space field sensors, Spartaco Caniggia.
[4] ESD excitation model for susceptibility study. Federico Centola, David Pommerenke.
[5] Circuit and numerical modeling of electrostatic discharge generators, Spartaco Caniggia.
[6] 微带线的静电放电实验与仿真研究, 张腾,邱明佳,申云龙.
[7] Systematic analysis methodology for mobile phone’s electrostatic discharge soft failures, Ki Hyuk Kim, Yongsup Kim.
扩展阅读
[1] ESD电子枪3D建模仿真_cst仿真esd-CSDN博客
[2] ESD电子枪的等效数值电路_esd 电子枪的能量-CSDN博客
