《电磁兼容原理及应用教程》三.pptVIP

第3章 电磁环境及电磁污染途径 3.1 自然电磁环境 根据电磁波产生的机理不同，我们一般将电磁干扰划分为自然电磁干扰和人为电磁干扰两种。非人为因素产生的电磁波，构成了电磁环境的一部分，我们把这部分电磁波所形成的电磁环境称为自然电磁环境。在自然电磁环境中，静电、雷电和自然辐射是3种最重要的电磁干扰。 3.1.1 静电 静电的形成 物质都是由分子组成，分子又是由原子组成，原子由带负电荷的电子和带正电荷的质子组成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数相同，正负电荷平衡，对外表现出不带电的现象。如下图所示，绕原子A的原子核旋转的电子，在外力的作用下，离开原来的原子A而侵入其他的原子B。A原子因缺少电子数而呈带正电现象，称为阳离子，B原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。当外力持续作用时，阳离子和阴离子的分布会变得越来越不均匀，对外将表现为带电现象。 当两个不同的物体相互接触时，就会使得一个物体失去一些电子(如电子转移到另一个物体)而带正电，另一个得到一些剩余电子的物体则带负电。若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。 所以物体与其他物体接触后再分离，就会带上静电。在日常生活中，脱衣服产生的静电也是因为“接触分离”而产生的。 常见材料的摩擦起电序列为：人体、玻璃、云母、聚酰胺、毛织品、毛皮、丝绸、铝、纸、棉花、钢铁、木头、硬橡胶、聚脂薄膜、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(PVC)。在这个序列表中，两种材料相差间隔越大，摩擦起电就越容易。但并不是说，摩擦起电越容易，材料表面积累的静电荷就越多。摩擦起电引起的电荷积累还有一些其他条件的限制，比如两种材料接近的紧密程度、分离的速率、湿度及两材料的导电性等。 潮湿的空气也是正负电荷中和的路径。人体是良好的静电载体，能够通过摩擦起电充电到几千伏。通过人的活动，这些不受欢迎的静电荷就会被带到一些敏感区域晃来晃去。这些大量的静电一旦找到合适的放电路径，就会产生放电现象。 静电的放电与人体放电模型 当人体接近导电物体时(最坏的情况是接触到一个金属物体，例如仪器外壳、集成电路的管脚等)，如果空气气隙上的电位梯度足够高，电荷会以火花的形式转移到那个物体上。电荷转移中的能量既可能低得不易察觉，也可能造成十分疼痛的感觉。因人体放电而产生的放电电流波形由十分陡(毫微秒级)的前沿和较慢的放电曲线组成。手或金属的放电电流波形的特性是接近速度、电压、电极的几何形状和相对湿度等参数的函数。 图中： CR——人体和大地之间的电容。 RR——人体的电阻。 LR——人体的电感。 CS——人手臂与大地之间的电容。 Co1——人手臂与金属体之间的电容。 RS——人手臂放电路径的电阻。 LS——人手臂放电路径的电感。 Co2——人手、手指与金属体之间的电容。 CJ——金属体与大地之间的电容。 RJ——金属体的接地电阻。 LJ——金属体的接地电感。 人体静电放电的过程受很多因素影响，具体的放电过程也因各种分布参数的不同而不同。典型的人体静电放电电流波形如下图所示。 在这个波形中，低频成分转移的电荷比高频成分多，但是高频成分会产生更强的场，对电路的危害也最为明显。由实验得出的各个参数的范围如下： Tr(上升时间)=200ps~100ns Ts(尖峰宽度)=0.5ns~10μs Tt(持续长度)=100ns~2ms 静电放电过程的不同不仅表现在电流波形在时间特性上差异很大，而且幅度也会在1A~200A范围内变化。 正是由于不同条件下静电放电的特性差异很大，所以电子设备对静电放电的响应很难预测。所幸的是，我们可以用统计的方法来处理这个问题。一定要记住的一个事实是，静电放电时产生的能量很大，频率很高(有时高达5GHz)。 静电的危害 静电场的强度取决于充电物体上的电荷数量和与它的电荷量不同的物体之间的距离。人体上的电压通常会达到8kV～10kV，有时电压会更高，达到12kV～15kV。许多文献上称，人体的电压可以达到30kV。但这是假设身体的最小辉光放电半径为1cm时推断的。实际上，人体上许多部位的辉光放电半径小于1cm，因此在通常条件下是不会出现这么高电压的。人体上的最高电压应该是20kV左右。 如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压超过元件介质的击穿强度，就会对元件造成损坏，这是MOS器件出现故障最主要的原因。MOS器件的氧化层越薄，元件对静电放电的敏感性也越大。由静电引起的MOS器件故障通常表现为元件本身对电源有一定阻值的短路现象。对于双极性元件，损坏一般发生在薄氧化层隔开的已进行金属喷镀的有源