人工电磁干扰

第3章电磁环境及电磁污染途径3.1自然电磁环境根据电磁波产生的机理不同，我们一般将电磁干扰划分为自然电磁干扰和人为电磁干扰两种。非人为因素产生的电磁波，构成了电磁环境的一部分，我们把这部分电磁波所形成的电磁环境称为自然电磁环境。在自然电磁环境中，静电、雷电和自然辐射是3种最重要的电磁干扰。3.1.1静电静电的形成物质都是由分子组成，分子又是由原子组成，原子由带负电荷的电子和带正电荷的质子组成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数相同，正负电荷平衡，对外表现出不带电的现象。如下图所示，绕原子A的原子核旋转的电子，在外力的作用下，离开原来的原子A而侵入其他的原子B。A原子因缺少电子数而呈带正电现象，称为阳离子，B原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。当外力持续作用时，阳离子和阴离子的分布会变得越来越不均匀，对外将表现为带电现象。当两个不同的物体相互接触时，就会使得一个物体失去一些电子(如电子转移到另一个物体)而带正电，另一个得到一些剩余电子的物体则带负电。若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。所以物体与其他物体接触后再分离，就会带上静电。在日常生活中，脱衣服产生的静电也是因为“接触分离”而产生的。常见材料的摩擦起电序列为：人体、玻璃、云母、聚酰胺、毛织品、毛皮、丝绸、铝、纸、棉花、钢铁、木头、硬橡胶、聚脂薄膜、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(PVC)。在这个序列表中，两种材料相差间隔越大，摩擦起电就越容易。但并不是说，摩擦起电越容易，材料表面积累的静电荷就越多。摩擦起电引起的电荷积累还有一些其他条件的限制，比如两种材料接近的紧密程度、分离的速率、湿度及两材料的导电性等。潮湿的空气也是正负电荷中和的路径。人体是良好的静电载体，能够通过摩擦起电充电到几千伏。通过人的活动，这些不受欢迎的静电荷就会被带到一些敏感区域晃来晃去。这些大量的静电一旦找到合适的放电路径，就会产生放电现象。静电的放电与人体放电模型当人体接近导电物体时(最坏的情况是接触到一个金属物体，例如仪器外壳、集成电路的管脚等)，如果空气气隙上的电位梯度足够高，电荷会以火花的形式转移到那个物体上。电荷转移中的能量既可能低得不易察觉，也可能造成十分疼痛的感觉。因人体放电而产生的放电电流波形由十分陡(毫微秒级)的前沿和较慢的放电曲线组成。手或金属的放电电流波形的特性是接近速度、电压、电极的几何形状和相对湿度等参数的函数。图中：CR——人体和大地之间的电容。RR——人体的电阻。LR——人体的电感。CS——人手臂与大地之间的电容。Co1——人手臂与金属体之间的电容。RS——人手臂放电路径的电阻。LS——人手臂放电路径的电感。Co2——人手、手指与金属体之间的电容。CJ——金属体与大地之间的电容。RJ——金属体的接地电阻。LJ——金属体的接地电感。人体静电放电的过程受很多因素影响，具体的放电过程也因各种分布参数的不同而不同。典型的人体静电放电电流波形如下图所示。在这个波形中，低频成分转移的电荷比高频成分多，但是高频成分会产生更强的场，对电路的危害也最为明显。由实验得出的各个参数的范围如下：Tr(上升时间)=200ps~100nsTs(尖峰宽度)=0.5ns~10μsTt(持续长度)=100ns~2ms静电放电过程的不同不仅表现在电流波形在时间特性上差异很大，而且幅度也会在1A~200A范围内变化。正是由于不同条件下静电放电的特性差异很大，所以电子设备对静电放电的响应很难预测。所幸的是，我们可以用统计的方法来处理这个问题。一定要记住的一个事实是，静电放电时产生的能量很大，频率很高(有时高达5GHz)。静电的危害静电场的强度取决于充电物体上的电荷数量和与它的电荷量不同的物体之间的距离。人体上的电压通常会达到8kV～10kV，有时电压会更高，达到12kV～15kV。许多文献上称，人体的电压可以达到30kV。但这是假设身体的最小辉光放电半径为1cm时推断的。实际上，人体上许多部位的辉光放电半径小于1cm，因此在通常条件下是不会出现这么高电压的。人体上的最高电压应该是20kV左右。如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压超过元件介质的击穿强度，就会对元件造成损坏，这是MOS器件出现故障最主要的原因。MOS器件的氧化层越薄，元件对静电放电的敏感性也越大。由静电引起的MOS器件故障通常表现为元件本身对电源有一定阻值的短路现象。对于双极性元件，损坏一般发生在薄氧化层隔开的已进行金属喷镀的有源半导体区域，静电引起的击穿会产生电流严重泄漏的路径。另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔点(1415℃)时所引起的。静电放电脉冲的能量可以产生局部发热，使半导体局部熔断损坏。即使静电产生的电压低于介质的击穿电压，也会发生这种故障。一个典型的例子是，NPN型三极管发射极与基极间常会因静电而产生击穿，击穿后电流增益急剧降低。器件受到静电放电的影响后，也可能不立即出现功能性的损坏。这些受到潜在损坏的元件通常被称为“跛脚”，一旦加以使用，将会对以后发生的静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性。整体的性能表现为电子设备的性能越来越差，直至完全损坏。要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏，这一点非常重要。人体有感觉的静电放电电压为3000V～5000V，然而，元件发生损坏时的电压仅几百伏。这势必会对电子电路的性能产生影响。相对于自然界的静电来说，电子器件是非常娇贵的，正是基于这一因素，是否采取了防静电措施是衡量电子器件质量好坏的一个非常重要的指标。设备漏电，尤其是不会对人造成触电伤害的微弱漏电虽然不属于静电放电现象，但其性能却与静电放电类似。虽然大多数情况下人们几乎感觉不到设备漏电，但由于其普遍性(任何电器设备多少总有些漏电)和高内阻的特点，产生幅度接近于电源电压(100～400V),时间很短的尖峰电脉冲，仍足以对静电敏感器件造成电气过载(EOS)损害。所以一般将设备漏电也纳入静电防护体系中来考虑。静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造成损害的主要机理有：热二次击穿、金属镀层熔融、介质击穿、气弧放电、表面击穿和体击穿等。正确地进行静电防护是电子工程师和电气工程师的一个非常重要的课题。在一些设备比较完善的生产车间、比较重要的机房等场合，这一问题已经得到了足够重视。许多防静电产品已经大量进入市场。常见的防静电产品有防静电地板、防静电服装、防静电护腕。但仅仅装备了一些防静电的设备或采取了一些防静电的措施往往是不够的，最为重要的是，相关的工作人员一定要树立起防静电意识，否则，真正的防止静电的损坏是无从谈起的。3.1.2雷电雷电的形成人们通常把发生闪电的云称为雷雨云，其实有几种云都与闪电有关，如层积云、雨层云、积云和积雨云，最重要的是积雨云，一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。使空气中水汽达到饱和是形成云的一个必要条件，其主要方式有：(1)水汽含量不变，空气降温冷却；(2)温度不变，增加水汽含量；(3)既增加水汽含量，又降低温度。但对云的形成来说，降温过程是最主要的过程。而降温冷却过程中又以上升运动而引起的降温冷却作用最为普遍。积雨云是一种在强烈垂直对流过程中形成的云。由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，所以白天地面温度升高较多，夏日这种升温更为明显，近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低，根据力学原理它就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。热气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花，并随高度逐渐增多。在冻结高度(-10℃)，由于过冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，达到对流层顶附近后，向水平方向铺展，形成云砧，是积雨云的显著特征。积雨云形成过程中，在大气电场、温差起电效应和破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就是人们平常所说的雷电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000～20000℃，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。雷击通常有3种形式：直击雷、感应雷和球形雷。直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，感应雷是当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，地面某些范围由于散流电阻大，出现局部高电压，或在直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应，发生高电压而发生闪击现象的二次雷，球形雷比较多见于山区，其登堂入室的报道常见于报端。雷电的破坏作用雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾难。雷电具有以下几个特点：冲击电流非常大，其电流高达几万至几十万安培。持续时间短，一般雷击分为3个阶段，即先导放电、主放电和余光放电，整个过程一般不会超过60µs。雷电流变化梯度大，有的可达10KA/µs。冲击电压高，强大的电流产生交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌3种。在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体、建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称为直接雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能。在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力。感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。感应雷主要有两种：静电感应雷和电磁感应雷。静电感应雷：带有大量负电荷的雷云所产生的电场E将会在架空明线上感生出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或对云间放电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了(严格说是大大减弱)，于是在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击，从而对电器设备产生不同程度的影响。电磁感应雷：雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上(由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了)，对用电设备造成极大危害。最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通信线路中感应的电流浪涌引起的。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入电脑设备，我们就这两方面分别介绍如下：(1)电源浪涌电源浪涌并不仅源于雷击，当电力系统出现短路故障、投切大负荷时都会产生电源浪涌。电网绵延千里，不论是雷击还是线路浪涌发生的几率都很高。当距离几百公里的远方发生了雷击时，雷击浪涌通过电网光速传输，经过变电站等衰减，到你的电脑时可能仍然有上千伏，这个高压持续很短，只有几十到几百个微秒，或者不足以烧毁电脑，但是对于电脑内部的半导体元件却有很大的损害。(2)信号系统浪涌信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。金属物体(如电话线)受到这些干扰信号的影响，会使传输中的数据产生误码，影响传输的准确性和传输速率。排除这些干扰将会改善网络的传输状况。常见防雷产品现代防雷产品种类繁多，大致可分为4大类：(1)接闪器避雷针是最早的接闪器，也是目前世界上公认的最成熟的防直击雷装置。避雷带、避雷网、避雷线是避雷针的变形，其接闪原理是一致的。(2)低压电源避雷器信息产业部的分析统计表明：通信站80%的雷击事故是由雷电波侵入电源线造成的。因此，低压交流避雷器发展非常迅速，而以MOV材料为主的避雷器在市场上占有统治地位。(3)通信线路避雷器通信线路避雷器的技术要求较高，因为除了满足防雷技