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加强和改进电子系统(设备)的防护
〖  所属分类:技术文献  点击次数:3222次  更新时间:2006-3-20 10:07:53  〗

  随着微电子、计算机技术的迅速发展,以集成电路为核心的各种测控及网络通信系统已广泛应用于航空航天、金融、邮电、电力、石油化工、交通运输等各行业及医疗保健等现代生活各领域。这类电子系统(设备)元器件的集成度高,信息存储量大,速度和精度不断提高,但工作电压仅有几伏,信息电流仅为有微安级,对过电压、过电流、电磁脉冲等外来干扰极其敏感且耐受能力极低。当雷电等过电压和伴随的电磁场强度达到某一阀值时,轻则引起系统失灵,重则导致系统或其元器件永久损坏。
  雷电灾害被国际电工委员会(IEC)称为"电子化时代的一大公害",雷电灾害给全球造成的经济损失每年在十多亿美元以上。
  据美国的保守估计,主要由于雷电冲击导致计算机网络系统失效或损坏,平均每年约占全部故障的70%。在德国各种灾害造成的损害中,感应雷击造成的损害高居榜首,占全部灾害损失的33.8%。奥地利某地区1996-1992年间雷击保险理赔件数统计:33年中直接雷击事故每年都约100起左右,而电子设备的损坏却由1960年的931起上升到1992年的23768起!我国近年也雷害事故频繁、激增,据一些省市统计,因雷害作用电子设备的直接损失约占雷电灾害总损失的80%,造成了巨大的直接经济损失和无法估量的间接经济损失与社会影响。例如:广东地区1997年雷害事故共计1465起,其中电子电器设备雷害事故705起;共计直接经济损失1亿6770万元,间接经济损失5亿1730万元。北京地区1980-1996年造成经济损失上亿元的数百起事故中,微电子占54.8%。
  多年来,国内外有关航空航天飞行器、微波站、调度通信站、气象中心、计算中心、广播电视系统等遭受雷电等冲击干扰而失效、损坏的事例屡见不鲜,造成巨大的损失。因此,加强和改进电子系统(设备)的防护,减小其造成的直接损失和间接损失(有时这可能更大更严重!),已成为当务之急。

  过电压、过电流的产生大概有以下几种情况
  雷电:雷电是自然界频繁的大气放电现象,地球上平均每秒发生100次左右;雷电脉冲功率可达2亿kW;脉冲电流上升很快(波头时间1~5ms),持续时间很短(波长20~100ms),峰值高达数kA到300kA以上。雷电流强大的冲击机械效应和热效应将使微电子设备遭受严重毁坏。尽管雷电直击微电子设备的可能性不大,但是雷击附近大地、建筑物、交流供电线路或空中雷电感应形成的冲击过电压,都有可能通过与之相连的电源线、信号传输线或接地系统,侵入微电子设备酿成严重的干扰或事故。
  操作过电压:在电网内部,由于各种开关电器的操作、或故障的发生与排除等运行状态的突然变化,如大功率设备的开启、升降的升降停、电房的开关试验等将会产生频率较高、持续时间毫秒级、几倍幅值的操作过电压,通过电源渠道侵入电子系统,影响电子设备的安全运行。
  核致电磁脉冲: 核爆炸会在地面产生强大的电磁场。场强峰值可达50kV/m,功率密度峰值可达6.6MW/m2,约为雷电的100倍;其破坏范围大,400km高空核爆炸,地面的破坏半径约为2200km。核致电磁脉冲将在电子网络中耦合产生很高的暂态过电压,只要耦合能量大于10-10~10-9焦耳,就会导致许多半导体器件与集成电路,工作失效或损坏。
  静电放电: 两种介电常数不同的绝缘材料直接接触互相摩檫时,会发生电荷转移而各带不同电荷,称为静电充电。人体发生静电充电,电荷量通常有0.5~5微库仑,充电电压可达12~30kV。气候愈干燥,电荷量愈大,充电电压愈高。带有上述电荷的人员触及电子设备,就会发生放电现象。放电火花产生的电磁干扰可使微电子设备失灵或损坏。
  雷电过电压入侵电器设备的形式
  雷电过电压入侵电器设备的形式有两种:直接雷和感应雷。
  雷电直接击中线路并经过微电子设备入地的雷击过程称为直击雷;由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压、过电流形成的雷击称为感应雷。感应雷可由静电感应产生,也可由电磁感应产生,形成感应雷电压的机率很高,对建筑物内的低压电子设备威胁巨大。

  入侵计算机系统的雷电过电压过电流主要有以下三个途径
  (1)由市电网电源供电线路入侵
  电源由电力线路输入室内前可能遭受直击雷和感应雷;直击雷击中高压电力线路,经过变压器耦合到220/380伏低压,入侵计算机供电设备;另外低压线路也可能被直击雷击中感应出雷电过电压。在220/380伏电源线上出现的雷电过电压平均可达10000伏,对计算机网络系统可造成毁灭性打击。
  (2)由计算机通信线路入侵
  由计算机通信线路入侵分为三种情况。一、当地面突出物遭直击雷打击时,强雷电压将邻近土壤击穿,雷电流直接入侵到电缆外皮,进而击穿外皮,使高压入侵线路。二、雷云对地面放电时,在线路上感应出上千伏的过电压,击坏与线路相连的微电子设备,并通过设备连线侵入到其他通信线路。这种入侵沿通信线路传播,涉及面广,危害范围大。三、若某一线路被雷电击中时,与其相邻并平行铺设的其他线路会感应出过电压冲击,危害相应的连接设备。
  (3)地电位反击电压通过接地体入侵
  雷电击中避雷针时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地,在接地体附近产生放射型的电位分布,会在靠近的其他电子设备接地体产生高压地电位反击,入侵电压可高达数万伏。
  建筑物的避雷针及引下系统的作用是替代建筑物承受雷击,以保护建筑物的结构安全。在避雷针引入强大的雷电流通过引下线入地时,在附近空间产生强大的电磁场变化,会在相邻的导线(包括电源线和信号线)上感应出雷电过电压,因此建筑物避雷系统不但不能保微电子设备,反而经常引入雷电流。
  微电子设备所应用大规模集成电路都是采用亚微米工艺生产,耐压能力和抗电磁干扰的能力很弱,经不起过电压大电流的冲击。对耐压影响最大的是沟道长度及栅氧化层的厚度。沟道长度一般在0.25~0.18mm,栅氧化层的最薄厚度小于0.1mm,因此这些新器件在冲击电压作用下十分易损,通常在100伏以下,因此必须建立多方面、多层次的微电子设备防雷系统。

  过电压过电流的防护必须全面
  自18世纪弗兰克林著名的风筝实验以来,人们致力于雷电及其防护的研究实践已有200年的历史,对一般建筑物及电力系统输变电设备的防雷保护已经取得了很大成绩,积累了丰富的经验。但是如前所述,随着微电子、计算机技术的迅猛发展和普及应用,微电子面临雷电等冲击电磁干扰和过电压损害的威胁和损失也愈来愈严重。现在的问题是:
  一方面在技术上,用一般建筑物一般电气设备的防雷装置防雷经验,已不能完全解决微电子设备的防雷问题。我国过电压保护设计技术规程(SDJ-79)、微波通信设计技术规定(GB6-U01)等,虽对微波通信的防雷措施作了各方面的规定,但由于微电子设备对雷电等冲击干扰十分敏感,耐压水平很低,这些对半导体分立元件电子设备行之有效的保护措施,却还不足于将其危害限制到足够小的程度。钢筋混凝土高层建筑物,虽然对直击雷防护有了很大的进步,但是从设计到施工大都没有很好考虑防护雷击等冲击电磁干扰问题。现有的钢筋混凝土建筑,不仅对建筑物外雷击的电磁屏蔽效能很差,对雷直击建筑物时从建筑钢筋分流入地的雷电流,在建筑物内形成的冲击电磁干扰危害如何防护也还缺乏有效的具体对策,因而很难满足建筑物内微电子设备应用日益广泛,特别是智能大厦的防护要求。
  另一方面,人们的习惯观念也亟须更新。当今雷害往往与高科技的普及应用同步,其危害远不能以雷击物的直接经济损失来估量。许多人包括一些高科技人员的观念还停留在弗兰克林时代,以为有了避雷针何所惧!殊不知正如前面所叙闪电由避雷针引入大地,大楼、人员和普通设备安然无恙,但雷电流在四周产生的巨大脉冲电磁场,却使具有极为灵敏的微电子设备损坏,令业务受到严重影响。许多人不了解埋地电缆也会出现感应过电压,例如通过避雷针的雷电入地电流为5kA时,在其附近5~10m处的无屏蔽电缆将会感应5~7.5kV的高压;实践表明不少屏蔽良好的微电子设备在雷雨季节也发生故障,就是因为即使屏蔽系数达到90%,雷电感应过电压仍有10 V数量级,超过计算机接口元器件所能承受的冲击耐压10V数量级。雷电及其是否成灾是一种随机性很强的小概率事件,决不可存在侥幸心理。如果缺乏必要的防护措施,灾害迟早总会发生,而应防范于未然。在防护上的必要投入不可吝啬。人们总习惯于拿被保护物价值的大小与投入作比较,来左右自已的决策。殊不知一次灾害造成不可估量的社会影响和间接经济损失,比设备损坏的直接损失要严重得多。
  微电子的抗冲击电磁干扰和过电压防护是一项系统仲博在线登录下载,必须贯彻整体防护思想,综合运用分流(泄流)、均压、屏蔽、接地和保护(箝位)等各项技术,构成一个完整的防护体系,才能取得明显的效果。
  分流(泄流):指的是对于可能的直击雷要靠接闪器经引下线和接地装置,或通过导电连接和接地良好的金属构架,将雷电流分流散流入地,而不流过被保护设备和部件;雷电流通过的部分阻抗要低流散要好,以降低电位,避免引起对被保护物的反击。
  均压:是指对于同一楼层同一部位的不同的电缆外皮、设备外壳、金属构架(构件)、管道进行电气搭接,以均衡电位。所谓屏蔽指的是采用屏蔽电缆,利用各种人工的屏蔽箱盒、法拉第屏蔽笼、钢筋结构等和各种可以利用的自然屏蔽体来阻挡、衰减施加在微电子上的电磁干扰和过电压能量。
  接地:是指将所有金属构架(构件)、管道、电缆金属屏蔽层、穿线铁管连在一起,与屏蔽笼及总接地网就近连接;电气、电子设备的防雷接地、工作接地、保护接地采用共地方式;计算机的逻辑接地采用绝缘电缆引外接地,为防反击再与主接地网暂态共地连接。
  箝位保护:在过电压可能侵入的所有端口,包括电源、电信、网络等终端设备装设必要的雷电浪涌保护装置;在计算机等电子系统引出的信号线、电源线上装设多级保护,包括粗保护和细保护,将侵入电子系统的冲击过电压箝制到允许的程度。
  以上的分流(泄流)、均压、屏蔽、接地等都属于外部防雷范畴,对从市电网、通信线路、长距离输送的架空导线中产生的感应过电压是无能为力的,因此箝位保护就显得尤其重要。综合分流、均压、屏蔽、接地、箝位保护各项技术的整体防护原则,是适用于建筑防雷、电力系统和各种电子设施的通用防护模式。而对一个特定的微电子,例如大型计算机系统、电站综合自动化系统、微波通信站、调度通信大楼、石油化工仪表微机监测系统或现代高层建筑智能大厦等的防护,还需根据微电子设备的特点和防护对象的实际情况灵活应用,采取具体措施,构成一个完整的防护体系,才能收到预期的效果。

 

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