3-1、电磁环境及电磁污染途径

地 面
雷电的破坏作用
冲击电流非常大
雷电的特点
持续时间非常短
雷电流变化梯度大 直击雷
雷电的危害
感应雷 浪涌
据不完全统计，全球平均每年因 雷电灾害造成的直接损失超过10亿美元， 死亡人数在3000人以上。 建筑物遭雷击是比较普遍的一种灾害。
有关避雷
避雷针
“引雷”而非“避雷”
利用尖端放电原理，避雷针尖端电导率 比其它地方大许多，率先把空气击穿，使云层与 地面电荷不断中和，避免电荷累积和大规模放电。
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直流电机、变频调速器
感性负载通断
电磁干扰源
自然干扰源 人为干扰源
自然干扰源：雷电是一种主要的自然干扰 源，雷电产生的干扰可以传到数千公里以 外的地方。雷电干扰的时域波形是叠加在 一串小随机脉冲背景上的一个大尖峰脉冲。 宇宙噪声是电离辐射产生的，在一天中不 断变化。太阳噪声则随着太阳的活动情况 剧烈变化。自然界的噪声主要会对通信造 成干扰。
电磁干扰三要素：任何电磁兼容性问题都包 含三个要素，即干扰源、敏感源和耦合路径， 这三个要素中缺少一个，电磁兼容问题就不 会存在。因此，在解决电磁兼容问题时，也 要从这三个要素入手进行分析，查清这三个 要素是什么，然后根据具体情况，采取适当 的措施消除其中的一个。
常见干扰源
雷电
无线通信
脉冲电路
放电电流 I

静电放电会导致电子设备的误动 作和电路的损坏。 静电放电发生的非常快，因此放 电电流的上升沿很陡，具体数值主要取 决于放电回路的电感。
人体放电模型
为了定量地研究静电放电问题，确定电子器件或设备 的静电放电能力，必须建立ＥＳＤ模型。 例如：人体静电是引起静电危害如火炸药和电火产品 发生意外爆炸或静电损坏的最主要和最经常的因素， 因此国内外对防静电放电控制要求都是以防人体静电 为主，并建立了人体模型（Human Body Model HBM），HBM是ESD模型中建立最早和最主要的模型之 一。除人体模型外，还有很多其它静电放电模型。
ESD电磁辐射频谱属于宽带干扰，从低频 一直到几个吉赫兹以上。其中电晕放电是出 现在飞机机翼、螺旋桨及天线和火箭、导弹 表面等尖端或细线部位，产生兆到吉Hz范围 的电磁干扰，使飞机、火箭等空间飞行器与 地面的无线电通信中断，导航系统不能正常 工作，使卫星姿态失控，造成严重后果。另 外，电晕放电产生的噪声，对某些家用电器 和电信号检测也会造成电磁干扰
3、电磁环境及电磁污染途径 主要学习内容： 电磁环境 电磁干扰三要素 电磁干扰的危害
引言
电子设备的广泛应用和发展，必然导致 它们在其周围空间产生的电磁场能量的 不断增加。也就是说，电子设备不可避 免地在电磁环境（EME）中工作。 因此， 必须解决电子设备在电磁环境中的适应 能力! 电磁兼容性（EMC）是一门关于抗电磁干 扰（EMI）影响的科学。
人为干扰源：电磁干扰产生的根本原因是导体中有电压 或电流的变化，即较大的dV/dt或dI/dt。dV/dt或dI/dt 能够使导体产生电磁波辐射。一方面，人们可以利用这 一特点实现特定的功能，例如，无线通信、雷达和其它 功能，另一方面，电子设备在工作时，由于导体中的 dV/dt、dI/dt，会产生伴随电磁辐射。无论主观上出于 什么目的，客观上对电磁环境造成了污染。 随着电子技术的广泛应用，电磁污染的情况越来越严重。
除了前述的高能量电磁场引起的辐射干扰、 静电干扰之外, 还有一类, 称为电源干扰 或电源线干扰.
电源干扰的方式
共模干扰(common mode interference): 是电源 线对大地或电源线对大地之间的电位差. 对于三 相电路, 共模干扰存在于任一相与大地之间. 共 模干扰又称纵模干扰, 不对称干扰或接地干扰. 它是载流导体对大地的电位差. 共模干扰是由辐 射或串扰耦合到电路中来的.
记住：凡是有电压或电流突变的场合，肯定会有 电磁干扰问题存在。数字脉冲电路就是一种典型 的干扰源。
自然干扰源
地球上: 大气干扰 闪电 沉降静电 噪声干扰 行星际: 太阳摄动 宇宙噪声 射电
人为干扰源
1.无线电发射设备: TV, 广播, 通信工具, 空中交管雷达, 远航导航仪器发射功率有 的达10MW, 1—12频道TV为10KW, 13频道以 上为30KW。 通信工具: 美国1976年有200多万台移动 通信发射机和基台. 1995达15万门用户 欧洲1993年为400万台，中国1995已达8154 万门用户.
人体放电模型
I
t
1ns
100ns
静电放电的危害
在静电放电——起电过程中，有时会形成瞬态大电流和 电磁脉冲（EMP），产生频谱很宽的电磁辐射场。另外，与常规 电能量相比，静电能量比较小。在自然起电——放电过程中， ESD参数是不可控的，是一种难于重复的随机过程。因此，它的 作用往往被人们所忽视。但是，它给人类造成的危害却是惊人 的。在微电子技术领域，由于静电危害每年损失上百亿美元； 在弹药、火工品及易燃易爆气体、粉尘等“静电危险场所” （关于静电危险场所的定义和等级划分见GJB2528—95），因静 电危害造成许多燃烧、爆炸等恶性事故；在航天、航空方面， 静电危害曾使机毁人亡、火箭发射失败、卫星发生故障；在科 学技术飞速发展和工业生产高度自动化的今天，静电在工业生 产中的危害已是显而易见，祥见下述。
ESD的电磁效应是信息化时代电子装备 的主要危害源之一
静电放电过程是电位、电流随机瞬时变 化的电磁辐射过程。无论是放电能量较小 的电晕放电，还是放电能量比较大的火花 放电，都会产生电磁辐射。这种近场 ESD/EMP对各种电子装备、信息化系统都可 能造成电磁干扰。在航空、航天、航海领 域和各种现代化电子设备中形成ESD电磁辐 射危害也是众所周知的事实。
传播型刷形放电和火花放电都是静电能量比较 大的ESD过程。其峰值电流可达几百安培。它可能形 成电磁脉冲串，对微电子系统造成强电磁干扰及浪 涌效应，引起电路错误翻转或致命失效。即使采用 完善的屏蔽措施，当电路屏蔽盒上发生静电火花放 电时，ESD的大电流仍会在仪器外壳上产生大压降。 这种瞬时的电压跳变，会使被屏蔽的内部电路出现 感应脉冲而引起电路故障。另外，日本人通过模拟 实验已证实，ESD产生的磁场也能够使控制设备发生 误动作，影响设备的正常工作。
图 静电感应引起ESD示意图
雷电
雷电的形成
电荷积累到一 大块的云顶部
定数量时，强 带正电，底部 空气闷热潮
积云
大的电场力使 聚集负电，接 湿的时候， 大气击穿,发 近地面时，地 水蒸气受热 生云层与大地 面感应出正电， 上升，遇冷 间的放电，就 这样在云层和 空气凝结形 是雷击，一部 大地之间形成 成积云。 分能量以光形 了一个电容器。 式放出,就是 闪电。
高压静电场引起的介质击穿和潜在 性危害
静电荷在物体上的积累往往使物体对地具有高电压， 在附近形成强电场。很强的静电场会导致MOS场效应器 件的栅氧化层被击穿，使器件失效。一般MOS器件的栅 氧化模厚度为10-7m数量级，当电路设计没有采取保护措 施时，即便是为致密无针孔的高质量氧化层，也会在 100V的静电电压下被击穿。对于有保护措施的电路，虽 然击穿电压可能高于100V，但危险静电源的电压可能是 几千伏，甚至上万伏。因此，高压静电场的击穿效应仍 然是MOS电路的一大危害。另外，高压静电场也可能使 多层步线电路间介质击穿或金属化导线间介质击穿，造 成电路失效。
绝缘大地
试想，如果大地绝缘，不能感应出电荷，自然不 会有雷电发生。 一条思路---建在电导率较大土壤上的建筑物，与建在 电导率较小土壤上的建筑相比更易遭雷击。
静电屏蔽
导体在静电场中,其内部场强处处为零 高压带电检修工人身着均压服作业
楼房能否穿上“均压服”？ 笼式避雷网——楼房的保护伞
电磁干扰三要素
目前，就世界范围来说，电磁兼容性问题已 经形成一门新的学科。
电磁兼容的中心课题是研究控制和消除电磁 干扰，使电子设备或系统与其它设备联系在 一起工作时，不引起设备或系统的任何部分 的工作性能的恶化或降低。 设计一个理想的电子设备或系统应该既不辐 射任何不希望的能量，又应该不受任何不希 望有的能量的影响。
人为干扰源
4. 照明设备及家用电器: 电扇, 洗衣机, 吸尘 器, 冰箱, 空调, 电视, 手持电动工具, 组合音 响, 荧光灯, 开关时均辐射. 5. 办公设备: 复印机, 电动打字机, 出钠机, 传真机。 6. 计算机及外设: 振荡器, 开关电源, 数字脉 冲电路, 变频, 高速数据总线, 打印机, 绘图仪, 磁盘驱动器, 键盘, 显示器。 7. 静电放电干扰。 8. 核电磁脉冲(NEMP): 核爆炸的EMP的强度可 达105v/m, 影响半径可达千公里.
静电感应放电引发的事故
人体和金属之类静电导体，在静电场中会发生静电 感应现象，造成意外的火花放电。其作用原理如下图所 示。带电体1距接地体2甚远，本来不会发生静电放电。 但是由于人体或其它静电导体移动到它们之间，则人体 可能同时向物体1、2发生火花放电，引发静电危害。如 果人体只是向两物体之一发生火花放电，则人体将成为 带电体（假设人体未采取静电防护措施，人体对地绝 缘），当他走到靠近其它物体时，还可能形成二次ESD 危害。
静电力学效应造成的危害或生产障碍
在积累静电荷的物体周围，存在着静电场。静电场可以使介 质极化，在库仑力的作用下，悬浮在空气中的尘埃被吸附在物体 上污染生产环境，影响产品质量。在半导体器件生产车间，由于 尘埃吸附在芯片上，集成电路（IC）、特别是超大规模集成电路 （VLSI）的成品率大大下降；由于静电吸附的作用，给纺织工业 造成很大危害，如抽丝过程由于静电力作用，会使丝线飘动、粘 合纠结；在织布过程中，由于橡胶锟轴与丝纱摩擦产生静电，导 致乱纱、挂条、缠花、断头，降低了针齿梳理能力，影响产品质 量和生产效率；在粉体加工业, 由于静电作用，使筛空变小或堵 塞，气力输送管道不通畅，球磨机不能正常工作；在印刷行业和 塑料簿模包装生产中，由于静电的吸引力或排斥力，影响正常的 纸张分离、叠放、塑料薄模不能正常包装和印花，甚至出现“静 电墨斑”，使自动化生产遇到困难。
ESD对人体可以造成“二次”伤害
当带电人体接近接地导体或机器等较大 金属物体时会形成电火花放电。相反的情 况是当人体接近带有高电压的导体时,也会 形成火花放电.这两种静电放电都会使人体 受到电击.由于人体电击刺激带来的精神紧 张,往往会造成手脚动作失常，被机器设备 碰伤或从高空坠落，构成静电危害的“二 次事故”。
人为干扰源
2. 工业、科学和医用射频设备: 加热用的射频 振荡器, 射频电弧焊, 医疗微波设备, 超声波发 生器, X—射线机, 家用微波炉, 电磁灶。 3. 电力: 输电线连续波, 变电, 配电, 断路器, 开关。 交通: 电气火车, 汽车, 摩托车, 拖拉机, 电车 等的点火装臵, 发动机风扇, 刮水器马达。 工业设施: 车、铣、冲、钻、刨、镗床，主驱动 电机, 控制调节系统, 功率大, 开停频繁。
电磁环境
静电 自然电磁环境 电子噪声 自然电磁辐射 大地表面电、磁场 大地磁层 大地内部电场… 电子设备等 通信设备等
… …
雷电
电磁环境
人为电磁环境
根据电磁波产生的机理的不同
静电的形成
电荷在导体或绝缘体上的积累
静电放电现象
＋ ＋＋＋ ＋＋＋＋＋ ＋＋＋＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋
当充有电荷的物体靠近或接触 一个导体时，电荷就要发生转 移，这就是静电放电现象。
ESD热效应造成的危害—危险场所的点 火源、引爆源，微电子器件的损伤源
一般地说,静电火花放电或刷形放电都是在微秒或纳秒量级 完成的.所以可以认为ESD过程是一个绝热过程.放电瞬间回 路通过数安培的大电流使空气隙电离\击穿\发光\发热,形成 局部的高温热源.这种局部的热源可以引起易燃易爆气体燃 烧\爆炸;也可以使火炸药\电雷管\电引信等各种电发火装臵 意外发火,引起爆炸事故. 在微电子技术领域,ESD过程是静电能量在1/10μs时间内通 过器件电阻释放的，其平均功率可达几千瓦。如此大功率的 短脉冲电流作用于器件上，足以在绝热情况下，使硅片上微 区熔化，电流集中处使铝互连局部区域发生球化，甚至烧毁 PN结和金属互连线，形成破坏性的“热电击穿”，导致电路 损坏失效。