电磁环境与电磁干扰

1、电磁环境与电磁干扰第1页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六绪 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。第2页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 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

2、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。绪 论第3页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六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

3、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。 绪 论第4页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六自然环境因素一般电磁环境构成因素人为环境因素 雷电电磁辐射源。 静电电磁辐射源。 太阳系和星际电磁辐射源。 地球和大气层电磁场等。 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。 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。 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。 以电火花点燃内燃机为动

4、力的各种交通工具和机器设备。 各种家用电器、现代化办公设备、电动工具等。 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构成电磁环境的各种因素绪 论第5页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 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

5、其在电磁环境中的适应能力。绪 论第6页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电（ESD）电磁脉冲源及其效应1雷电电磁脉冲源及其效应2核电电磁脉冲源及其效应3电磁脉冲武器及其效应 4内 容第7页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六一、静电（ESD)电磁脉冲源及其效应静电放电 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。静电带电 物体的静电带电，又称静电起

6、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。第8页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电放电的特点 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 静电放电和静电放电模型第9页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电放电的特点 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）。第10页，共133页，2022年，5月2

7、0日，0点14分，星期六静电放电电流波形第11页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六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。第12页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六电晕放电（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

8、 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。静电放电类型第13页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六电晕放电（corona discharge)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

9、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。 静电放电类型第14页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六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

10、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。静电放电类型电晕放电（corona discharge)第15页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六“特里切尔”脉冲在一定的条件下，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

11、的射频干扰。 静电放电类型第16页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六电晕放电危害射频干扰 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。 静电放电类型第17页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六电晕放电的利用静电除尘脱硫脱硝静电喷涂静电放电类型第18页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电火花放电 （spark discharge ）当静

12、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。静电放电类型第19页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六刷形放电 （brush discharge）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

13、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。 静电放电类型第20页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六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

14、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。静电放电类型刷形放电 （brush discharge）第21页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六沿面放电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2.710-4 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2.710-5C/

15、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。 静电放电类型第22页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六沿面放电 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，

16、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。静电放电类型第23页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电放电模型 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

17、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。第24页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六人体模型（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, R1500 来模拟人体静电参数。第25页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六A real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.人体模型（HBM）第26页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六A real cas

18、e of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.人体模型（HBM）第27页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六标准电容/pF电阻/ 上升沿/ns时间常数/ns适用范围MIL-STD-1512GJB736.11-9050050002500火工品MIL-STD-883EGJB128A-97GJB548A-96100150010ns150电子器件分立器件集成电路IEC61340-3-11001500210ns150电子器件人体模型（HBM）第28页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六The equ

19、ivalent circuit of the HBM ESD event with R1= 1500ohm and C1= 100pF. 人体模型（HBM）第29页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六MIL-STD-883EGBJ128A-97GBJ548A-96人体模型（HBM）第30页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六短路电流波形MIL-STD-883EGBJ128A-97GBJ548A-96人体模型（HBM）第31页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六标准：IEC61340-3-1Methods for simulation

20、of electrostatic effectHuman body model (HBM) Component testing第32页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六Typical current waveform through a shorting wire ( tr )IEC61340-3-1标准：IEC61340-3-1第33页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六Typical current waveform through a shorting wire ( td )IEC61340-3-1标准：IEC61340-3-1第34页，共133

21、页，2022年，5月20日，0点14分，星期六Typical current waveform through a 500 resistorIEC61340-3-1标准：IEC61340-3-1第35页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六Typical current waveform through a 500 resistorIEC61340-3-1标准：IEC61340-3-1第36页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六HBM ESDS 元器件敏感度分类敏感类别电压范围(V)02501A2505001B50010001C10002000220004

22、0003A400080003B8000第37页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 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。 机器模型（MM）第38页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六人体金属模型

23、（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。第39页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六在人体-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，

24、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。人体金属模型（BMM)第40页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六短路电流波形人体金属模型（BMM)第41页，共133页，2022年，

25、5月20日，0点14分，星期六 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。 带电器件模型（CDM） 第4

26、2页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六家俱模型 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。 第43页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六场感应模型 当

27、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。 第44页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六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。 场感应模型 第45页，共133页，2

28、022年，5月20日，0点14分，星期六静电放电模拟器 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。 第46页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六在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

29、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。 静电放电模拟器 第47页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六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第48页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六空气放电方式 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

30、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。第49页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六优点：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

31、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。空气放电方式 第50页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六接触放电方式 将ESD模拟器的放电电极与被测物体的敏感部分保持紧密的金属接触，之后由模拟器内部的高压继电器触发静电放电。接触放电方式与空气放电方式相比最大的不同就是用内部高压继电器触发装置替代了空气放电方式中难以驾驭的空气击穿过程。其放电的重复性很好，也能反映实际ESD过程的主要特点。 第51页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六现行的主要ESD检测标准，如IEC61340-

32、3-1、ECMA/40等都把这种放电方式作为主要的试验方法，为了紧密的金属接触，放电电极的顶端应作成锥尖状。不足：当被测设备的敏感部分被封装在非金属材料制成的壳内，而壳上的孔缝很小，放电电极不能进入壳内与敏感部分形成紧密的金属接触时，这种放电方式便不能实施。在这种情况下，仍需采用空气放电方式。产生的辐射场与实际空气击穿产生的辐射场有一定差别 有时，各厂家产生的模拟器的试验结果不一致。接触放电方式 第52页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六NSG435 ESD 模拟器是由瑞士SCHAFFNER公司制造的多功能ESD模拟器。由于采用集总参数放电网络及内部电池供电，NSG435

33、 ESD 模拟器体积小，易于移动便于测试。模拟器-NSG435第53页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六基本网络：150pF、330（BMM）。150pF、15的家俱模型180pF、330 美国国家标准ANSI-C63.16（1991版）所规定的的人体-金属模型放电网络模拟器-NSG435第54页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六模拟器ESS-200AX ESS-200AX ESD模拟器是日本的Noiseken 公司产品。最高放电电压可达30kV，这种模拟器不仅能满足IEC标准的要求，同时也能满足ISO/SAE标准（用于汽车工业，要求ESD放电电压应

34、达到25kV）及其它一些标准的要求，使模拟器的使用范围得到了很大的扩展。 第55页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六模拟器ESD3000第56页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六EMC PARTNER offers a new hand-held ESD test system for contact discharge (CD) up to 30 kV and air discharge (AD) up to 32 kV。模拟器ESD3000第57页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六第58页，共133页，2022年，5月20日

35、，0点14分，星期六第59页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六ESD产生的辐射场 随着测试设备发展，尤其是其带宽的不断增加，人们发现ESD放电电流的前沿远比各大标准组织所规定的陡，往往达到亚纳秒，甚至数十皮秒数量级，数十安培/纳秒的电流上升速度为强辐射电磁场的存在找到了强有力根据。 对ESD辐射场的研究从二十世纪八十年代后期逐渐全面展开。人们试图提出ESD辐射场的理论模型，并进行相关的测试实验研究。第60页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 对ESD电磁场的理论研究方面，提出了一些解析法理论模型如长导体模型、球形电极模型、偶极子模型和双源模型等等；

36、同时，为了解决解析理论模型的不足，又出现了一些数值计算方法，如解析数值法和时域有限差分法（FDTD）。理论计算发展概况：ESD产生的辐射场第61页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六把场看成是放电弧和放电电极上的电流两部分产生的场的叠加。经典模型长导体模型球形电极模型偶极子模型双源模型解析法理论模型数值法计算解析数值法时域有限差分法（FDTD）理论计算研究ESD产生的辐射场第62页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六ESD辐射场理论模型长导体模型：主要模拟ESD过程中长导体电流通道附近电磁场分布（近场行为），对于快变电流需要修正。球电极模型：主要模拟球形

37、电极放电过程中近区场，未考虑远区辐射场问题，也不能计算ESD过程中的磁场。偶极子模型：主要模拟静电火花放电产生的辐射场。ESD产生的辐射场第63页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六R1RR2dlmirrorA(z, r,)z=0偶极子模型Dipole modelZz ESD电磁场偶极子模型最早是P. F. Wilson 在1991年提出来的。认为ESD过程中的电磁场主要是由ESD火花所产生的，而ESD火花可以简化成位于无限大、导电的接地平板上的电性小、时变线性偶极子，于是平板上半空间的电磁场就可以看成是偶极子和它的镜像偶极子产生的。 偶极子模型：P.F.Wilson的偶极

38、子模型是最实用的理论模型ESD产生的辐射场第64页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六此模型适合于火花放电的远区辐射场，可同时计算电场和磁场。但不适合近区场，也没有考虑ESD过程中的静电场。ESD产生的辐射场第65页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六1）电场作用生产的障害，介质的击穿；2）绝热效应危险场所的点火源、引燃源，微电子器件的损伤源；3）电磁效应对信息化设备的电磁干扰；4）瞬态强电磁场微电子器件的潜在性失效；5）人体电击二次伤害等。静电危害的分类第66页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电放电引发的瞬时大电流（静电火花）

39、引燃引爆易燃、易爆气体混合物或电火工品，造成意外燃烧、爆炸事故。 静电放电效应第67页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电放电使人体遭受电击引发操作失误造成二次事故、静电场的库仑力作用使纺织、印刷、塑料包装等自动化生产线受阻。静电放电效应第68页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电放电的电磁辐射或静电放电电磁脉冲（ESD EMP）对电子设备造成的电磁干扰引发的各种事故。 静电放电效应第69页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六近年来，我国石化企业曾发生30多起较大的静电事故, 其中损失达百万元以上的有数起。如上海某石化公司的2

40、000米3甲苯罐, 山东齐鲁某公司的胶渣罐, 抚顺某石化公司的航煤罐等都因静电造成了严重火灾爆炸事故。在武器装备尤其是弹药生产、储运和使用中因静电造成的燃烧爆炸事故更是触目惊心。 静电放电效应第70页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六ESD 及其标准ESD (electrostatic discharge) phenomenon can happen according to the different electrostatic potentials between two or more objects. EOS (electrical overstress) is

41、taken place by the electrical event that is outside the specified range of the DUT (device under test). Devices are usually damaged by EOS/ESD via the rapidly generated heat or the rapidly created strong electrical field. The latent or fatal failures on a silicon chip are possibly caused by even an

42、electrostatic discharge or electrical overstress event. To predict the ESD immunity level, or to find the ESD sensitive (weak) point of the DUT, there are several organizations who make the ESD related primary standards. 第71页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六ESDA (Electrostatic Discharge Association),AEC(

43、Automotive Electronics Council), EIA/JEDEC (Electronic Industries Alliance / Joint Electron Device Engineering Council) MIL-STD (US Military Standard). IEC (International Electrotechnical Commission)ESD 及其标准第72页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六HBM (Human Body Model)BMM(Body-Metal Model）MM (Machine Model)

44、CDM(non-socketed Charged-Device Model, Field Induced Model, or Direct Charge Model)SDM (Socket Device Model, or Socketed Discharge Model).ESD 及其标准第73页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电测试设备第74页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电消除设备第75页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电防护设备第76页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六我国在静电检测理

45、论与测试技术方面取得的进展导出欧姆定律一般表达式。建立电火工品真实静电感度测试方法，研制成功真实静电感度测系统。解决弹药反常发火问题。第77页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六研究了织物摩擦电位衰减测试方法，研制成功织物摩擦电位衰减测试仪。我国在静电检测理论与测试技术方面取得的进展第78页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六国防静电计量测试站我国在静电检测理论与测试技术方面取得的进展第79页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 把静电危害的防护研究作为电磁兼容性（EMC）研究内容之一，统一考虑。 1991年美国政府工作报告中把静电放

46、电和十多种电磁危害源综合考虑为电磁环境效应（Electromagnetic Environment Effect），简称E3问题。 可见，把静电放电作为电磁环境因素之一，综合进行电磁防护研究，是该研究领域的发展趋势。 当前静电防护研究的热点与发展趋势 第80页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 雷电是自然界一种特殊的、极为壮观的声、光、电现象，是一种很普遍的大气放电现象。雷电放电时具有强大的电流、炙热的高温、猛烈的冲击波、巨变的电磁场，以及强烈的电磁辐射等物理效应，给社会造成巨大的危害。 雷电电磁脉冲(Lightning electromagnetic pulse ,LE

47、MP) 是伴随雷电过程的电磁辐射,包括地电流瞬变、感应雷和电磁脉冲形式。二、雷电电磁脉冲（LEMP）及其效应第81页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六闪电按发生的空间位置可分为云闪和地闪；云闪一般定义为没有到达地面的闪电放电；云和大地之间的放电简称地闪，其走向多垂直于地面，对人们的生命财产危害最大。由于地闪是脉冲型放电，占有很宽频带的强脉冲电流通过主放电通道必然会产生强大的电磁辐射，这就是LEMP（雷电电磁脉冲）；LEMP作用于电子、电气设备及系统上，可能对设备和系统造成损伤或干扰；地闪LEMP环境和效应是当今国际雷电防护领域的主要研究热点之一。 二、雷电电磁脉冲（LEM

48、P）及其效应第82页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六雷电放电的起电机理雷电放电的分类雷电放电的基本参数抗扰度实验雷电电磁脉冲效应二、雷电电磁脉冲（LEMP）及其效应第83页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六雷电放电的起电机理 大气中总是存在着大量的自由电荷，由于空气中含有水分，这些自由电荷被水所吸收。随着气候的变化，空气发生强烈的对流，水滴就会被分裂成带正、负电荷的小水滴，经过逐步的积累，就在大气中形成分别带有正电和负电的雷云层。随着电荷的积累，雷云层的电位逐渐升高。当带不同电荷的雷云层相互接近到一定程度时，就发生强烈的雷电放电现象。（1）感应起电

49、（2）温差起电（3）对流起电第84页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六雷电放电分类 雷电可分成直击雷、感应雷两种。 （1）直击雷 当云层很低时，如果在它周围又没有带异性电荷的雷云层，就会在地面凸出物上感应出异性电荷，造成与地面凸出物之间的放电现象，这种对地面凸出物直接的雷击叫做直接雷。第85页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六根据不同形态和特征划分：可分为线状雷电、火箭状雷电、带状雷电、片状雷电、热雷电、珠状雷电、球状雷电和黑色雷电等不同类型，其中珠状雷电、球状雷电和黑色雷电是3种不常见的雷电。根据雷电的位置划分：可分为云间雷电、云内雷电、晴空雷电和

50、云地雷电，其中云地雷电最为重要，云地雷电占雷电总数的1/3 1/6。根据雷击方式划分：雷电可分为直击雷和非直击雷。从先导发展方向和所带电荷的极性划分：分为下行负雷电、上行负雷电、下行正雷电和上行正雷电。雷电放电分类第86页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 （2）感应雷 感应雷是因附近地方的落雨所引起的电磁作用的结果，分静电感应雷和电磁感应雷。 静电感应雷是由于雷云层放电前在地面凸出物上感应的大量异性电荷所致，在雷云层与其他部位放电后，凸出物顶端的电荷顿时失去束缚，呈现很高的电压，以很快的速度沿凸出物传播，这种雷击就是静电感应雷。 电磁感应雷是由于雷击后，巨大的雷电流在周

51、围空间产生迅速变化的强大电磁场所致，这种电磁场在附近的金属导体上感应出很高的电压，这种雷击就是电磁感应雷。雷电放电分类第87页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六雷电放电的特性雷电为放电路径长度为千米计的瞬时大电流，放电频谱较宽，为1kHz-5MHz；云地间的雷电区包括一个或多个断续的局部放电，每次雷电的总的放电称为一次电闪，每个局部放电称为一次闪击，通常每次电闪包括34次闪击；电闪时间持续时间约0.2s，闪击间隔时间约40ms；云地间雷电可使云中负电荷区中约数千库仑的电荷转移到大地；云层中可以是正电荷放电，也可以是负电荷中心放电。第88页，共133页，2022年，5月20

52、日，0点14分，星期六 雷电波频谱中主要频谱分量集中在0-20kHz，而雷电能量主要集中在100Hz-1000kHz，工频附近(0-100Hz)的能量只占总能量的2.3%。雷电电磁辐射的平均能谱在25-100MHz之间，辐射的频谱峰值集中在60-70MHz。雷电放电的特性第89页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 雷电流幅值 雷电流是指雷击于电阻小于等于30欧姆的低接地电阻物体时，流过该物体的电流。雷电流需要用幅值、波头和波长等三个主参数来表征。幅值是指雷电的脉冲电流所能达到的最高值。该幅值在不同国家，不同地区和不同自然条件下，差异是很大的。雷电放电的特性第90页，共13

53、3页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 雷电通道波阻抗 雷云主放电时，雷电通道如同一个导体，雷电流在导体中流动，因此，和普通导线一样，对电流波呈现一定的阻抗，该阻抗叫做雷电通道波阻抗，通常取300-400欧姆。雷电放电的特性第91页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六参数超过列举值雷电百分数（）出现次数95505雷电峰值电流/kA负的第一次电闪负的后随雷电正的电闪（无后随雷电）144.64.63012351503025010113526电荷/C负的第一次雷电负的后随雷电负的电闪正的电闪1.10.21.3205.21.47.580241140350931229426

54、闪击电荷/C负的第一次雷电负的后随雷电正的电闪（仅发生第一次雷电）1.10.222.04.50.9516204.01509011725达到峰值电流的时间/s负的第一次雷电负的后随雷电正的电闪1.80.223.55.51.122184.5200851.819最大di/dt（kA/ s）负的第一次雷电负的后随雷电和电闪正的电闪5.5120.2012402.432120329212221达到波尾中值的时间/s负的第一次雷电负的后随雷电正的电闪306.525753223020014020009012221电闪持续时间/ms负的（包括单个电闪）负的（不包括单个电闪）正的电闪0.1531141318085

55、1100900500943924云对地雷电数据分布95的雷电的峰值电流超过14kA,50%超过30kA,5%的超过80kA;通常在数微秒内，雷电电流可达1030kA,峰值为200kA或更大第92页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六负极性雷电放电示意图第93页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 电流波形世界各国测得的对地放电雷电流波形基本一致多数是单极性重复脉冲波，少数为较小的负过冲一次雷击放电过程常常包含多次先导至主放电的过程和后续电流。电流波形通常用双指数来表示雷电电磁脉冲模拟第94页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 根据雷

56、电电磁脉冲的特点， 其模拟装置由脉冲发生器和有界波模拟器构成，有界波电磁脉冲模拟器由脉冲源、前过渡段、平行板段 、后过渡段和终端器几个部分构成其结构如下图 所示。模拟器的电磁特性由脉冲源的等效电感、电容以及传输线的阻抗等因素决定。调节C2 , R1 的值, C1 , R2 的值, 可以改变脉冲的波头时间和半波宽度。C1 充电储能电容，C2 放电电容, R1 放电电阻，R2 负载电阻，放电前电源先对C1 充电，S为放电开关。雷电电磁脉冲模拟第95页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六雷电电磁脉冲模拟器短路波形 波前时间： T18s20 半峰值时间：T220s20 雷电模拟器短

57、路电流波形是一种快速上升(8 s)、持续时间短(半峰值时间20 s)、频率成分复杂、峰值电流很大(达2kA 以上) 的冲击电流波形。 IEC61000-4-5 规定了雷电浪涌模拟器的短路电流波形(8/20 s) ， 图中T 1 为波前时间，T 2 为半值时间。 IEC61000-4-5 标准还规定， 冲击大电流幅值的测量误差应不大于3% ， 波头、波长时间的测量误不大于10% 。雷电电磁脉冲模拟第96页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六利用GTEM室（吉赫兹横电磁波传输室）Marx源来模拟雷电电磁脉冲远场（电场环境）通过调整Marx发生器的参数（电阻、电容及放电时间）来调

58、整GTEM室内的电磁场波形，模拟雷电回击过程产生的电磁脉冲雷电电磁脉冲模拟第97页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 LEMP近场是低阻场，具有很高的磁场分量，根据IEC61000-4-9标准，采用雷击浪涌发生器提供浪涌电流，配合亥姆霍兹线圈模拟雷电近区磁场，在亥姆霍兹线圈中央区域产生满足标准波形要求的雷电脉冲磁场环境。 通过调节雷击浪涌发生器的输出电压，可以方便地调节模拟雷电磁场的强度，最高可达20 kA/m。利用脉冲磁场发生器模拟雷电磁场。 在电子设备电磁兼容性测试方面，对雷电浪涌(冲击) 抗扰度试验时，国家标准GB/T 17626.52等效采用国际电工委员会IEC6

59、1000-4-5，提出了雷电瞬态模拟的方法， 指出参数为8/20s 的雷电流波形适用于沿线路传送的浪涌(冲击) 电流. 试验的方法是用雷击浪涌发生器进行冲击试验， 评估电子设备的抗雷电放电性能。雷电电磁脉冲模拟第98页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六 静电脉冲 大气电离层带负电荷，与大地之间形成了大气静电场。通常地面附近电场强度约150 kV/m。而积雨云下层电荷较集中，电位较高，致使局部静电场强远高于大气静电场。雷雨云形成的电场，在地面物体表面感应出异性电荷，其电荷密度和电位随附近场强变化。落雷的瞬间，大气静电场急剧减小，感应电荷即沿低阻抗通路流向大地，这种瞬时高电压

60、称静电脉冲。雷电电磁脉冲效应第99页，共133页，2022年，5月20日，0点14分，星期六静电脉冲的危害形式为:1电压(流)冲击。输电线路上的静电高压脉冲会沿电线传播，形成高压冲击，对相连的电气设备造成危害；2高压电击。垂直放置的导体，若接地电阻较大，尖端会出现火花放电，从而引燃引爆物品；在雷电过后的短暂时间内人触摸或接近这类物体，可能遭电击身亡。3束缚电荷二次火花放电。处于雷电高压场中的油类，其电阻率高，内部电荷不易流动。落雷后，油品下部电荷较快通过容器壁流散,而上部出现大量高电位的自由电荷，且消散极慢，若用金属导体接近油面，就可能发生火花放电，导致燃烧。雷电电磁脉冲效应第100页，共13