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加強和改進電子系統(設備)的防護
〖  所屬分類:技術文獻  點擊次數:3415次  更新時間:2006-3-20 10:07:53  〗

  隨著微電子、計算機技術的迅速發展,以集成電路為核心的各種測控及網絡通信系統已廣泛應用于航空航天、金融、郵電、電力、石油化工、交通運輸等各行業及醫療保健等現代生活各領域。這類電子系統(設備)元器件的集成度高,信息存儲量大,速度和精度不斷提高,但工作電壓僅有幾伏,信息電流僅為有微安級,對過電壓、過電流、電磁脈沖等外來干擾極其敏感且耐受能力極低。當雷電等過電壓和伴隨的電磁場強度達到某一閥值時,輕則引起系統失靈,重則導致系統或其元器件永久損壞。
  雷電災害被國際電工委員會(IEC)稱為"電子化時代的一大公害",雷電災害給全球造成的經濟損失每年在十多億美元以上。
  據美國的保守估計,主要由于雷電沖擊導致計算機網絡系統失效或損壞,平均每年約占全部故障的70%。在德國各種災害造成的損害中,感應雷擊造成的損害高居榜首,占全部災害損失的33.8%。奧地利某地區1996-1992年間雷擊保險理賠件數統計:33年中直接雷擊事故每年都約100起左右,而電子設備的損壞卻由1960年的931起上升到1992年的23768起!我國近年也雷害事故頻繁、激增,據一些省市統計,因雷害作用電子設備的直接損失約占雷電災害總損失的80%,造成了巨大的直接經濟損失和無法估量的間接經濟損失與社會影響。例如:廣東地區1997年雷害事故共計1465起,其中電子電器設備雷害事故705起;共計直接經濟損失1億6770萬元,間接經濟損失5億1730萬元。北京地區1980-1996年造成經濟損失上億元的數百起事故中,微電子占54.8%。
  多年來,國內外有關航空航天飛行器、微波站、調度通信站、氣象中心、計算中心、廣播電視系統等遭受雷電等沖擊干擾而失效、損壞的事例屢見不鮮,造成巨大的損失。因此,加強和改進電子系統(設備)的防護,減小其造成的直接損失和間接損失(有時這可能更大更嚴重。,已成為當務之急。

  過電壓、過電流的產生大概有以下幾種情況
  雷電:雷電是自然界頻繁的大氣放電現象,地球上平均每秒發生100次左右;雷電脈沖功率可達2億kW;脈沖電流上升很快(波頭時間1~5ms),持續時間很短(波長20~100ms),峰值高達數kA到300kA以上。雷電流強大的沖擊機械效應和熱效應將使微電子設備遭受嚴重毀壞。盡管雷電直擊微電子設備的可能性不大,但是雷擊附近大地、建筑物、交流供電線路或空中雷電感應形成的沖擊過電壓,都有可能通過與之相連的電源線、信號傳輸線或接地系統,侵入微電子設備釀成嚴重的干擾或事故。
  操作過電壓:在電網內部,由于各種開關電器的操作、或故障的發生與排除等運行狀態的突然變化,如大功率設備的開啟、升降的升降停、電房的開關試驗等將會產生頻率較高、持續時間毫秒級、幾倍幅值的操作過電壓,通過電源渠道侵入電子系統,影響電子設備的安全運行。
  核致電磁脈沖: 核爆炸會在地面產生強大的電磁場。場強峰值可達50kV/m,功率密度峰值可達6.6MW/m2,約為雷電的100倍;其破壞范圍大,400km高空核爆炸,地面的破壞半徑約為2200km。核致電磁脈沖將在電子網絡中耦合產生很高的暫態過電壓,只要耦合能量大于10-10~10-9焦耳,就會導致許多半導體器件與集成電路,工作失效或損壞。
  靜電放電: 兩種介電常數不同的絕緣材料直接接觸互相摩檫時,會發生電荷轉移而各帶不同電荷,稱為靜電充電。人體發生靜電充電,電荷量通常有0.5~5微庫侖,充電電壓可達12~30kV。氣候愈干燥,電荷量愈大,充電電壓愈高。帶有上述電荷的人員觸及電子設備,就會發生放電現象。放電火花產生的電磁干擾可使微電子設備失靈或損壞。
  雷電過電壓入侵電器設備的形式
  雷電過電壓入侵電器設備的形式有兩種:直接雷和感應雷。
  雷電直接擊中線路并經過微電子設備入地的雷擊過程稱為直擊雷;由雷閃電流產生的強大電磁場變化與導體感應出的過電壓、過電流形成的雷擊稱為感應雷。感應雷可由靜電感應產生,也可由電磁感應產生,形成感應雷電壓的機率很高,對建筑物內的低壓電子設備威脅巨大。

  入侵計算機系統的雷電過電壓過電流主要有以下三個途徑。
 。1)由市電網電源供電線路入侵
  電源由電力線路輸入室內前可能遭受直擊雷和感應雷;直擊雷擊中高壓電力線路,經過變壓器耦合到220/380伏低壓,入侵計算機供電設備;另外低壓線路也可能被直擊雷擊中感應出雷電過電壓。在220/380伏電源線上出現的雷電過電壓平均可達10000伏,對計算機網絡系統可造成毀滅性打擊。
 。2)由計算機通信線路入侵
  由計算機通信線路入侵分為三種情況。一、當地面突出物遭直擊雷打擊時,強雷電壓將鄰近土壤擊穿,雷電流直接入侵到電纜外皮,進而擊穿外皮,使高壓入侵線路。二、雷云對地面放電時,在線路上感應出上千伏的過電壓,擊壞與線路相連的微電子設備,并通過設備連線侵入到其他通信線路。這種入侵沿通信線路傳播,涉及面廣,危害范圍大。三、若某一線路被雷電擊中時,與其相鄰并平行鋪設的其他線路會感應出過電壓沖擊,危害相應的連接設備。
 。3)地電位反擊電壓通過接地體入侵
  雷電擊中避雷針時強大的雷電流經過引下線和接地體泄入大地,在接地體附近產生放射型的電位分布,會在靠近的其他電子設備接地體產生高壓地電位反擊,入侵電壓可高達數萬伏。
  建筑物的避雷針及引下系統的作用是替代建筑物承受雷擊,以保護建筑物的結構安全。在避雷針引入強大的雷電流通過引下線入地時,在附近空間產生強大的電磁場變化,會在相鄰的導線(包括電源線和信號線)上感應出雷電過電壓,因此建筑物避雷系統不但不能保微電子設備,反而經常引入雷電流。
  微電子設備所應用大規模集成電路都是采用亞微米工藝生產,耐壓能力和抗電磁干擾的能力很弱,經不起過電壓大電流的沖擊。對耐壓影響最大的是溝道長度及柵氧化層的厚度。溝道長度一般在0.25~0.18mm,柵氧化層的最薄厚度小于0.1mm,因此這些新器件在沖擊電壓作用下十分易損,通常在100伏以下,因此必須建立多方面、多層次的微電子設備防雷系統。

  過電壓過電流的防護必須全面
  自18世紀弗蘭克林著名的風箏實驗以來,人們致力于雷電及其防護的研究實踐已有200年的歷史,對一般建筑物及電力系統輸變電設備的防雷保護已經取得了很大成績,積累了豐富的經驗。但是如前所述,隨著微電子、計算機技術的迅猛發展和普及應用,微電子面臨雷電等沖擊電磁干擾和過電壓損害的威脅和損失也愈來愈嚴重,F在的問題是:
  一方面在技術上,用一般建筑物一般電氣設備的防雷裝置防雷經驗,已不能完全解決微電子設備的防雷問題。我國過電壓保護設計技術規程(SDJ-79)、微波通信設計技術規定(GB6-U01)等,雖對微波通信的防雷措施作了各方面的規定,但由于微電子設備對雷電等沖擊干擾十分敏感,耐壓水平很低,這些對半導體分立元件電子設備行之有效的保護措施,卻還不足于將其危害限制到足夠小的程度。鋼筋混凝土高層建筑物,雖然對直擊雷防護有了很大的進步,但是從設計到施工大都沒有很好考慮防護雷擊等沖擊電磁干擾問題,F有的鋼筋混凝土建筑,不僅對建筑物外雷擊的電磁屏蔽效能很差,對雷直擊建筑物時從建筑鋼筋分流入地的雷電流,在建筑物內形成的沖擊電磁干擾危害如何防護也還缺乏有效的具體對策,因而很難滿足建筑物內微電子設備應用日益廣泛,特別是智能大廈的防護要求。
  另一方面,人們的習慣觀念也亟須更新。當今雷害往往與高科技的普及應用同步,其危害遠不能以雷擊物的直接經濟損失來估量。許多人包括一些高科技人員的觀念還停留在弗蘭克林時代,以為有了避雷針何所懼!殊不知正如前面所敘閃電由避雷針引入大地,大樓、人員和普通設備安然無恙,但雷電流在四周產生的巨大脈沖電磁場,卻使具有極為靈敏的微電子設備損壞,令業務受到嚴重影響。許多人不了解埋地電纜也會出現感應過電壓,例如通過避雷針的雷電入地電流為5kA時,在其附近5~10m處的無屏蔽電纜將會感應5~7.5kV的高壓;實踐表明不少屏蔽良好的微電子設備在雷雨季節也發生故障,就是因為即使屏蔽系數達到90%,雷電感應過電壓仍有10 V數量級,超過計算機接口元器件所能承受的沖擊耐壓10V數量級。雷電及其是否成災是一種隨機性很強的小概率事件,決不可存在僥幸心理。如果缺乏必要的防護措施,災害遲早總會發生,而應防范于未然。在防護上的必要投入不可吝嗇。人們總習慣于拿被保護物價值的大小與投入作比較,來左右自已的決策。殊不知一次災害造成不可估量的社會影響和間接經濟損失,比設備損壞的直接損失要嚴重得多。
  微電子的抗沖擊電磁干擾和過電壓防護是一項系統工程,必須貫徹整體防護思想,綜合運用分流(泄流)、均壓、屏蔽、接地和保護(箝位)等各項技術,構成一個完整的防護體系,才能取得明顯的效果。
  分流(泄流):指的是對于可能的直擊雷要靠接閃器經引下線和接地裝置,或通過導電連接和接地良好的金屬構架,將雷電流分流散流入地,而不流過被保護設備和部件;雷電流通過的部分阻抗要低流散要好,以降低電位,避免引起對被保護物的反擊。
  均壓:是指對于同一樓層同一部位的不同的電纜外皮、設備外殼、金屬構架(構件)、管道進行電氣搭接,以均衡電位。所謂屏蔽指的是采用屏蔽電纜,利用各種人工的屏蔽箱盒、法拉第屏蔽籠、鋼筋結構等和各種可以利用的自然屏蔽體來阻擋、衰減施加在微電子上的電磁干擾和過電壓能量。
  接地:是指將所有金屬構架(構件)、管道、電纜金屬屏蔽層、穿線鐵管連在一起,與屏蔽籠及總接地網就近連接;電氣、電子設備的防雷接地、工作接地、保護接地采用共地方式;計算機的邏輯接地采用絕緣電纜引外接地,為防反擊再與主接地網暫態共地連接。
  箝位保護:在過電壓可能侵入的所有端口,包括電源、電信、網絡等終端設備裝設必要的雷電浪涌保護裝置;在計算機等電子系統引出的信號線、電源線上裝設多級保護,包括粗保護和細保護,將侵入電子系統的沖擊過電壓箝制到允許的程度。
  以上的分流(泄流)、均壓、屏蔽、接地等都屬于外部防雷范疇,對從市電網、通信線路、長距離輸送的架空導線中產生的感應過電壓是無能為力的,因此箝位保護就顯得尤其重要。綜合分流、均壓、屏蔽、接地、箝位保護各項技術的整體防護原則,是適用于建筑防雷、電力系統和各種電子設施的通用防護模式。而對一個特定的微電子,例如大型計算機系統、電站綜合自動化系統、微波通信站、調度通信大樓、石油化工儀表微機監測系統或現代高層建筑智能大廈等的防護,還需根據微電子設備的特點和防護對象的實際情況靈活應用,采取具體措施,構成一個完整的防護體系,才能收到預期的效果。

 

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