电磁环境与电磁干扰

1. 电磁环境与电磁干扰 主讲人 徐晓英 教授

2. 绪 论 随着现代科学技术的发展，电气及电子设备的数量、种类不断增加，空间电磁环境变得日益复杂。一方面在这种复杂的电磁环境下，如何减少相互间的电磁干扰，使各种设备不受干扰的影响而相容地正常工作，另一方面，恶劣的电磁环境对人类及生态产生如何的不良影响等等，都是迫切需要研究的课题。

3. 绪 论 电磁环境、效应及防护技术是目前国内外所称的EMC的一个重要组成部分。EMC是Electromagnetic Compatibility的缩写，译成电磁兼容性。现在世界各国对EMC技术十分重视，特别是将电子电路的抗干扰作为一个重要课题进行研究，并且还成立了国际性机构，以便交流各国研究成果和制定统一的技术规范和标准。对于EMC，国外文献曾给出了通俗的说明：“这种技术的目的在于，使一个电气装置或系统既不受电磁环境的影响，又不给环境以这种影响。它不会因电磁环境导致性能变差或产生误动作，而完全可以按院设计的能力可靠的工作。”，可见，EMC技术对于电气装置和系统，特别是对电子电路构成的装置和系统的可靠性等有着十分密切的关系。

4. 绪 论 • 电磁环境是指存在于给定空间所有电磁现象的总和。包括自然环境因素和人为环境因素。 • 自然环境因素有雷电、静电形成的电磁辐射和太阳、星际的电磁辐射以及地球磁场和大气中的电磁场等； • 人为环境因素包括各种人为电磁辐射源产生的电磁辐射。

5. 绪 论 ① 雷电电磁辐射源。 ② 静电电磁辐射源。 ③ 太阳系和星际电磁辐射源。 ④ 地球和大气层电磁场等。 自然环境因素 一般电磁环境构成因素 ① 各种电磁发射系统： 电视、广播发射台，无线电台、站，导航系统，通信系统，差转台，干扰台，微波接力站等。 ② 工频电磁辐射系统： 高电压送、变电系统，大电流工频设备，轻轨和干线电气化铁道等。 ③ 工业、科学、医疗、商业领域应用的有电磁辐射的各种设备或系统。 ④ 以电火花点燃内燃机为动力的各种交通工具和机器设备。 ⑤ 各种家用电器、现代化办公设备、电动工具等。 ⑥ 用于军事目的的强电磁脉冲源： 核电磁脉冲及非核电磁脉冲源如电磁脉冲武器、高功率微波弹和各种电子对抗辐射源等 人为环境因素 构成电磁环境的各种因素

6. 绪 论 电磁干扰引起信息系统、电子设备工作失常的各种电磁效应。 电磁干扰从甚低频～几GHz波段，无孔不入地辐射或传导至运行中的电子设备或系统以及周围的环境。（常说的射频干扰Radio Frequency Interference，简称RFI，是指无线电范围的的干扰）。 电子信息系统及设备不可避免的在电磁环境（EME）中工作，因此必须解决其在电磁环境中的适应能力。

7. 静电（ESD）电磁脉冲源及其效应 1 2 雷电电磁脉冲源及其效应 3 核电电磁脉冲源及其效应 4 电磁脉冲武器及其效应 内 容

8. 一、静电（ESD)电磁脉冲源及其效应 静电带电 物体的静电带电，又称静电起电，它是由于处于不同带电序列位置的物质之间接触分离（摩擦）使物体上正负电荷失去平衡而发生的静电现象。 静电放电 指带电体周围的场强超过周围绝缘介质的击穿场强时，因介质产生电离而使带电体上的电荷部分或全部消失的现象。 在大多数情况下，静电起电与放电是同时发生的，而且静电起电-放电是一个随机的动态过程，在这过程中，不仅有静电能量的传导输出，而且有电磁脉冲场的辐射。

9. 静电放电和静电放电模型 • 静电放电的特点 • 静电放电的类型 • 静电放电模型 • 静电放电模拟器 • 静电放电产生的辐射场

10. 静电放电的特点 静电放电（ESD）是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。 • 静电放电是高电位，强电场，瞬时大电流的过程。 • 静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲（EMP）。

11. 静电放电电流波形

12. 静电放电类型 • 电晕放电 • 火花放电 • 刷形放电 • 沿面放电 这种分类方法主要是以发声、发光及放电通道的形状来区分的。

13. 静电放电类型 • 电晕放电（corona discharge) An electrical discharge characterized by a corona and occurring when one of two electrodes in a gas has a shape causing the electric field at its surface to be significantly greater than that between the electrodes. 电晕放电以电晕为特点的一种放电，当某气体中的两个电极中有一个的形状导致其表面的电场明显大于两个电极之间电场的时候所发生放电现象。

14. 电晕放电（corona discharge) 静电放电类型 • 电晕放电是发生在极不均匀的电场中，空气被局部电离的一种放电形式。这种放电有时被称为尖端放电。 • 形成电晕放电的最基本标志并不是出现电晕，而是放电电流由饱和电流10-14 A突然增加到10-6A左右。 • 引发电晕放电的机制，阈值电压及放电产生的电晕的形态都与放电尖端的极性密切相关。 • 根据放电尖端的极性不同，电晕放电被分为正电晕和负电晕两种。

15. 电晕放电（corona discharge) 静电放电类型 • 当放电尖端为阴极时，产生的电晕放电被称为负电晕，形成负电晕的机制为汤逊(Townsend)机制，即产生二次电子崩的次极电子是由正离子碰撞阴极表面引起阴极的电子发射而产生的。 • 而当放电尖端为阳极时，产生的电晕放电被称为正电晕。阴极处的场强很弱，流向阴极的正离子难以从场中获取足够的能量引起阴极的二次电子发射，此时在尖端处维持放电过程的二次电子主要是由其附近的中性分子和原子的光电离而提供的。 • 从电晕放电产生的电晕的形状来看，负电晕是包围着放电尖端的均匀光晕圈，而正电晕则呈现出非均匀的丝状。一般来讲，正电晕的起晕电压要比负电晕的起晕电压高。

16. “特里切尔”脉冲 静电放电类型 • 在一定的条件下，虽然引发电晕放电的电压是恒定的，但电晕放电产生的放电电流却呈现出周期性的脉冲形式。 • 当放电电极为阴极时，电流脉冲重复频率可达到104Hz。而放电电极为阳极时，这一频率可达到106Hz，这一现象是由特里切尔(Trichel)于1938年发现的，被称为“特里切尔”脉冲。 • 由于这些频率正好位于射频段，因此会产生强烈的射频干扰。

17. 电晕放电危害 静电放电类型 • 射频干扰 飞机、航天器的通讯或导弹在飞行过程中，机壳或弹体上会因摩擦而产生静电，当静电电位足够高时可引发电晕放电，形成的电磁干扰会对飞机、航天器或导弹的制导系统产生干扰，造成通讯中断或制导失灵，引发事故。 • 浪费电能 高压输电线上的电晕放电会造成电力浪费。

18. 电晕放电的利用 静电放电类型 • 静电除尘 • 脱硫脱硝 • 静电喷涂

19. 静电火花放电 （spark discharge ） 静电放电类型 • 当静电电位比较高的带电导体或人体靠近其它导体、人体或接地导体时，便会引发静电火花放电。 • 静电火花放电是一个瞬变的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道，与此同时还伴随着噼啪的爆裂声，爆裂声是由火花通道内空气温度的急骤上升形成的气压冲击波造成的。 • 在发生静电火花放电时，静电能量瞬时集中释放，其引燃、引爆能力较强。另外静电火花放电产生的放电电流及电磁脉冲具有较大的破坏力，它可对一些敏感的电子器件和设备造成危害。

20. 刷形放电 （brush discharge） 静电放电类型 • 刷形放电电往往发生在导体与带电绝缘体之间，带电绝缘体可以是固体、气体或低电导率的液体。 • 产生刷形放电时形成的放电通道在导体一端集中在某一点上，而在绝缘体一端有较多分叉，分布在一定空间范围内。根据其放电通道的形状，这种放电被称为刷形放电。 • 当绝缘体相对于导体的电位的极性不同时，其形成的刷形放电所释放的能量和在绝缘体上产生的放电区域及形状是不一样的。

21. 刷形放电 （brush discharge） 静电放电类型 • 当绝缘体相对导体为正电位时，在绝缘体上产生的放电区域为均匀的圆状，放电面积比较小，释放的能量也比较少。而当绝缘体相对于导体为负电位时，在绝缘体上产生的放电区域是不规则的星状区域，区域面积比较大，释放的能量也较多。 • 刷形放电还与参与放电的导体的线度及绝缘体的表面积的大小有关，在一定范围内，导体线度越大，绝缘体的带电面积越大，刷形放电释放的能量也就越大。 • 刷形放电释放的能量可高达4mJ，因此它可引燃、引爆大多数的可燃气体。但它一般不会引起粉体的爆炸。

22. 沿面放电 静电放电类型 • 沿面放电又称传播型刷形放电，旧称利登彼格(Lichtenberg)放电。 • 只有当绝缘体的表面电荷密度大于2.7×10-4 C/m2时才可能发生。但在常温、常压下，如此高的面电荷密度较难出现，因为在空气中单极性绝缘体表面电荷密度的极限值约为2.7×10-5C/m2，超过时就会使空气电离，只有当绝缘体两侧带有不同极性的电荷且其厚度小于8mm时，才有可能出现这样高的表面电荷密度，此时绝缘体内部电场很强，而在空气中则较弱。

23. 沿面放电 静电放电类型 当绝缘板一侧紧贴有接地金属板时，就可能出现这种高的表面电荷密度。另外，当电介质板被高度极化时也可能出现这种情形。若金属导体靠近带电绝缘体表面时，外部电场得到增强，也可引发刷形放电。刷形放电导致绝缘板上某一小部分的电荷被中和，与此同时它周围部分高密度的表面电荷便在此处形成很强的径向电场，这一电场会导致进一步的击穿，这样放电沿着整个绝缘板的表面传播开来，直到所有的电荷全部被中和。 沿面放电释放的能量很大，有时可以达到数焦耳，因此其引燃引爆能力极强。

24. 静电放电模型 静电放电是一个复杂多变的过程，常常使得研究者难以捉摸。再加上静电放电有许多不同的放电形式，能产生静电放电的静电源多种多样，而且同一静电源对不同的物体放电时产生的结果也是不一样的，即使同一静电源对同一物体放电，也会受气候、环境等条件的影响，难以得到具有重复性的放电结果。由于静电放电的这种多变性，使得难以有效地对ESD的危害及其效应进行正确的评估。针对这一问题，人们对实际中各种可能产生具有危害的静电放电的静电源进行了深入的研究，根据其主要特点建立了相应的静电放电模型。

25. 人体模型（HBM） • 主要模拟带电人体对电子器件、火工品等放电时，人体作为危险静电源的参数。 • 不同行业规定的参数不同。例如电子行业中，通常用C=100pF, R＝1500 来模拟人体静电参数。

26. 人体模型（HBM） A real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.

27. 人体模型（HBM） A real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.

28. 人体模型（HBM）

29. 人体模型（HBM） The equivalent circuit of the HBM ESD event with R1= 1500ohm and C1= 100pF.

30. 人体模型（HBM） MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96

31. 人体模型（HBM） 短路电流波形 MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96

32. 标准：IEC61340-3-1 Methods for simulation of electrostatic effect Human body model (HBM) Component testing

33. 标准：IEC61340-3-1 Typical current waveform through a shorting wire ( tr ) IEC61340-3-1

34. 标准：IEC61340-3-1 Typical current waveform through a shorting wire ( td ) IEC61340-3-1

35. 标准：IEC61340-3-1 Typical current waveform through a 500 resistor IEC61340-3-1

36. 标准：IEC61340-3-1 Typical current waveform through a 500 resistor IEC61340-3-1

37. 敏感类别 电压范围(V) 0 <250 1A 250~<500 1B 500~<1000 1C 1000~<2000 2 2000~<4000 3A 4000~<8000 3B 8000 HBM ESDS 元器件敏感度分类

38. 机器模型（MM） 机器模型（Machine Model），简称MM。用来模拟带电导体对电子器件发生的静电放电事件。机器模型最初由日本人提出，试图产生“最严酷”的人体静电放电事件，因此机器模型也称日本模型。 机器模型的基本电路模型是，200pF的电容不经过电阻直接对器件进行静电放电。机器模型模拟导体带电后对器件的作用，如在自动装配线上的元器件遭受带电金属构件对器件的静电放电，也可模拟带电的工具和测试夹具等对器件的作用。

39. 人体金属模型（BMM) • 模拟带电人体通过手持的小金属物件，如螺丝刀、钥匙等，对其它物体产生放电时的情形，因此这一模型又被称为人体一金属模型。 • 带电人体手持小金属物件时，由于金属物件的尖端效应，使得其周围的场强大大增强，再加上金属物件的电极效应，导致放电时的等效电阻大大减小。因此在同等条件下，它产生的放电电流峰值比单独人体放电的要大，放电持续时间短。

40. 人体金属模型（BMM) • 在人体--金属放电过程中，包含高速、低速两种放电模式。 • 高速放电模式与手、前臂及手持小金属物件的“自由电容”相联系，它产生的初始放电电流尖脉冲的上升速度很高，峰值很大，可产生强烈的电磁脉冲。而且它速度高，持继时间短，往往使得许多电子设备的ESD保护装置还没有来的及动作便已侵入设备，造成设备的损伤。因而也较难防护，不过由于与之相联系的放电电容容量较小，其放电中释放的能量也较小，它造成的损伤往往是软损伤或形成随机干扰。 • 低速放电模式则与人体电容相联系，在放电时释放的能量较大, 引起意外爆炸及电子器件、系统的硬损伤等等。 • 这两种放电模式各具特点，人体--金属放电模型应能全面地反映出这两种不同的放电模式。 • 人体--金属模型主要用于对系统的人体静电敏感度的测试。

41. 人体金属模型（BMM) 短路电流波形

42. 带电器件模型（CDM） 随着器件生产和装配的现代化，对器件的大部分操作都是由自动生产线完成，人体接触器件的机会相对减少，电子器件本身在加工、处理、运输等过程中可能因与工作面及包装材料等接触、摩擦而带电，当带电的电子器件接近或接触导体或人体时，便会产生静电放电。在生产线上由于带电器件静电放电对敏感电子器件造成的危害相当突出。通常用带电器件模型（CDM）来描述带电器件发生的静电放电现象。此模型是1974年斯皮克曼（Speakman）等人最先提出的。由于带电器件模型描述的放电过程是器件本身带电而引起的，所以带电器件模型失效是造成电子器件损坏、失效的主要原因之一。

43. 家俱模型 家俱静电放电指的是在计算机房或实验室内那些易于移动的家俱，如椅子、小的仪器搬运车等，由于摩擦或感应带电后对其它仪器设备产生的放电过程。 对于家俱ESD的研究最早是在IBM公司进行的。该公司为了加强其产品的防ESD能力，他们分别对三种形式的静电放电进行了研究，即人体ESD、人体--金属ESD和家俱ESD。通过研究与比较，他们认为在同等的放电电位下，家俱ESD产生的放电电流的峰值要比另外两种形式的ESD产生的电流峰值要大，因此其造成的危害也就比较严重。

44. 场感应模型 当对地绝缘的电子器件、仪器、导体及人体处于静电场中时，极化或静电感应会导致这些物体上的电荷分离，并使它们的电位升高。当外电场足够强时，这些物体上的感应电位可达到足够高，引发这些物体与其它物体之间的静电放电，这一静电放电过程被称为场感应静电放电。

45. 场感应模型 场感应模型并不是具体地模拟某一种静电电源，而是总体描述由于静电场的作用导致静电放电而引起器件、仪器等失效的一种机制。因此严格地来说应把它称为“场感应失效模型”。与它类似的其它一些ESD失效模型还有悬浮器件失效模型、电容耦合失效模型及瞬态感应失效模型等等。

46. 静电放电模拟器 尽管静电放电源的电气模型非常简单，但是要制做出既能反映出真实ESD过程的主要特点，又要具有很高的放电重复性的静电放电模拟器是一件非常复杂的工作。一般的ESD模拟器都是利用集总参数电路实现其功能。但是ESD本身是一个瞬变过程，涉及到频率超过1GHz的高频成分，因此在模拟器中集总器件的布置、寄生参数以及接地线与放电电阻的几何尺寸、形状都会对放电波形产生严重的影响。

47. 静电放电模拟器 在ESD模拟器中有静电高压发生器，又有控制和测量部分的低压电路，所以为了保证放电电流波形满足一定的要求。在设计、制做ESD模拟器时，首先必须解决其本身的电磁兼容性问题。 在用ESD模拟器对静电敏感器件或系统进行检测时，如采用的放电方式不同，要求的模拟器的结构及放电电极的形状也不相同。

48. 静电放电敏感度测试时放电方式 • 空气放电方式 • 接触放电方式

49. 空气放电方式 用ESD模拟器对被测物体进行测试时，使模拟器的放电电极逐渐接近被测物体，直到电极和被测物体之间形成火花击穿通道导致放电发生为止。空气放电方式的特点是放电由外部空气击穿形成火花通道而触发的，因此在设计ESD模拟器时不需要内部的高压继电器来触发放电。另外，在采用此种放电方式时，为了减小电极的电晕效应，放电电极的顶端一般都被作成球状。

50. 空气放电方式 • 优点：能真实地模拟实际中的静电放电过程。 • 缺点：放电重复性极差。 • 由于空气放电方式涉及到外部火花通道的形成过程，温度、湿度以及模拟器放电电极接近被测物体的速度等因素都会引起放电过程的显著变化。 • 随着放电电极接近被测物体速度的变化，放电电流的上升时间可由小于1ns变化到大于20ns。 • 而当保持接近速度恒定时也不能得到恒定的电流上升时间，在一定的电压、速度组合下，模拟器的放电电流的上升时间的起伏仍可达到30%以上。 • 采用固定放电电极与被测物体之间的间距，逐渐增高放电电极的电位来引发ESD。得到的上升时间比实际的ESD过程中的放电电流的上升时间要长的多。