電磁屏蔽技術(shù)在微電子設(shè)備雷電防護(hù)中的應(yīng)用

　　摘要 本文旨在結(jié)合電磁屏蔽效能測(cè)量技術(shù)探討各防雷區(qū)域內(nèi)微電子設(shè)備采用的屏蔽措施。對(duì)室外的微電子設(shè)備增加雷電防護(hù)區(qū)。對(duì)大尺寸屏蔽空間內(nèi)的微電子設(shè)備，除了采用外部屏蔽措施外，還需要根據(jù)設(shè)備的屏蔽效能要求增設(shè)局部屏蔽措施。設(shè)備的位置需根據(jù)距離曲線合理布置，同時(shí)對(duì)微電子設(shè)備連接線路采用屏蔽措施。同一微電子設(shè)備的所有屏蔽層均應(yīng)該進(jìn)行等電位連接并接地。

　　郭軍成; 麴春; 楊舜弗; 高鈺濤， 石河子科技 發(fā)表時(shí)間：2021-08-02

　　關(guān)鍵詞 電磁屏蔽;效能測(cè)試;雷電防護(hù)

　　在微電子設(shè)備雷電防護(hù)方面，人們往往比較注重直擊雷、過(guò)電壓、過(guò)電流、電位差和靜電等方面的防護(hù)，而忽視了雷電在對(duì)地放電過(guò)程中帶來(lái)的電磁影響。直擊雷防護(hù)就是通過(guò)接閃和分流入地的方式實(shí)現(xiàn)，使微電子設(shè)備不會(huì)處于LPZ0A區(qū)。過(guò)電壓和過(guò)電流是通過(guò)在線路中加入電源SPD或信號(hào)SPD 實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)，但由于每一次閃電強(qiáng)度無(wú)法估量， SPD的加入往往不能達(dá)到理想效果，同時(shí)，由于信號(hào) SPD與設(shè)備是串聯(lián)的，在進(jìn)行防雷保護(hù)的同時(shí)還會(huì)帶來(lái)插入損耗，影響電子設(shè)備的功能。

　　1 屏蔽效能測(cè)試

　　屏蔽效能的測(cè)試一般指模擬信號(hào)源置于屏蔽室外時(shí)，接收裝置在室外和室內(nèi)接收的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度或功率之比。電磁屏蔽效率計(jì)算公式為： SH = 20 lg H1 H2 ，SH = 20 lg E1 E2 ，SH = 20 lg P1 P2 公式中的 H1、E1和P1分別為在無(wú)屏蔽室條件下磁場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度和場(chǎng)功率，H2、E2和P2分別為在屏蔽室內(nèi)條件下的磁場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度和場(chǎng)功率。對(duì)同一作信號(hào)源，把信號(hào)接收機(jī)安裝在建筑物外和內(nèi)部，用于測(cè)量E1、E2強(qiáng)度，再利用SE = 20 lg E1 E2 來(lái)計(jì)算建筑屏蔽效能值。屏蔽效能值與屏蔽材料電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和屏蔽體結(jié)構(gòu)方式、場(chǎng)源頻率和性質(zhì)等很多因素有著直接聯(lián)系，在進(jìn)行防雷工程設(shè)計(jì)時(shí)可以采用該計(jì)算方式來(lái)進(jìn)行微電子設(shè)備的空間布局。

　　2 不同防雷區(qū)域的電磁屏蔽設(shè)計(jì)

　　2.1 在LPZ0B區(qū)的微電子設(shè)備電磁屏蔽設(shè)計(jì)

　　當(dāng)微電子設(shè)備處于室外時(shí)，一般會(huì)安裝直擊雷保護(hù)裝置，使微電子設(shè)備處于LPZ0B區(qū)，此時(shí)微電子設(shè)備不會(huì)遭受直接雷擊，但雷擊電磁脈沖電磁場(chǎng)無(wú)任何衰減。此時(shí)雷擊瞬變電磁場(chǎng)對(duì)微電子設(shè)備將造成干擾和破壞。

　　在室外的微電子設(shè)備應(yīng)改增加防雷保護(hù)區(qū)域，采用帶金屬外殼的微電子設(shè)備可視為在 LPZ1 區(qū)內(nèi)，當(dāng)要求較高或金屬外殼達(dá)不到理想效果時(shí)，可另外增設(shè)屏蔽層，如將設(shè)備安裝在金屬盒內(nèi)，此時(shí)電子元器件可視為在LPZ2區(qū)內(nèi)。在增設(shè)防雷保護(hù)區(qū)后需要將每一屏蔽層做等電位連接，同時(shí)需要進(jìn)行良好接地，接地電阻不大于 1Ω。微電子設(shè)備連接線路的屏蔽層與設(shè)備屏蔽層應(yīng)該進(jìn)行電氣連接，如果連接線路穿金屬管，金屬管最好與設(shè)備屏蔽層進(jìn)行無(wú)縫連接。

　　2.2 大空間屏蔽層內(nèi)微電子設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計(jì)

　　當(dāng)微電子設(shè)備位于室內(nèi)時(shí)，由于直擊雷保護(hù)裝置和建筑物外墻的作用，微電子設(shè)備最少都處于 LPZ1區(qū)內(nèi)，此時(shí)只是需要做好建筑外墻屏蔽措施的設(shè)計(jì)安裝。磚混結(jié)構(gòu)的外墻也具有屏蔽功能，但不能滿足要求，需要在外墻上另外敷設(shè)金屬網(wǎng)格，而鋼筋混凝土墻體本生就具有良好的屏蔽效果。將金屬外墻、鋁合金門(mén)窗、玻璃幕墻支架、建筑物的梁、柱和基礎(chǔ)連接成統(tǒng)一的導(dǎo)電系統(tǒng)，形成全屏蔽的法拉第籠式防雷系統(tǒng)。

　　在實(shí)際工作中，通過(guò)對(duì)具有良好外部屏蔽措施的室內(nèi)空間進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)防雷保護(hù)區(qū)域越高，屏蔽效能越大，因此微電子設(shè)備應(yīng)該安裝在建筑物底層中間部位。結(jié)合微電子設(shè)備場(chǎng)所的防雷保護(hù)安全等級(jí)和屏蔽要求，當(dāng)所選位置不滿屏蔽要求時(shí)，可采用局部屏蔽措施。設(shè)置內(nèi)部屏蔽室，將屏蔽室墻板采用金屬墻板，并進(jìn)行多點(diǎn)接地后，能有效提高屏蔽效能。

　　當(dāng)微電子設(shè)備場(chǎng)所直擊雷防護(hù)裝置成功引雷后，在引下線周?chē)矔?huì)存在瞬變電磁場(chǎng)，這就要求設(shè)備與防雷專(zhuān)用引下線間有可靠的安全距離。根據(jù)SE = 20 lg E1 E2 ，利用接收機(jī)在建筑物屋面測(cè)得E1 后，將接收機(jī)置于微電子設(shè)備場(chǎng)所內(nèi)，調(diào)整接收機(jī)與防雷引下線位置，每1m測(cè)量一次作為E2，可以測(cè)量出衰減量與引下線的距離曲線，根據(jù)曲線可以很好的設(shè)計(jì)設(shè)備在屏蔽空間的合理位置。

　　2.3 連接線路電磁屏蔽設(shè)計(jì)

　　微電子設(shè)備的連接線路必須做好屏蔽措施，不同用途、不同材質(zhì)和不同敷設(shè)方式的線纜需采用不同的屏蔽措施。

　　光纜是常用的一種信號(hào)傳輸線纜，由于光纖不導(dǎo)電，固光纜不需要做屏蔽措施，但需要將光纜內(nèi)加強(qiáng)芯在微電子場(chǎng)所防雷分區(qū)處與屏蔽層做好等電位連接。

　　非屏蔽電纜作為電源線時(shí)，在入戶前應(yīng)穿鋼管埋地敷設(shè)，埋地長(zhǎng)度應(yīng)符合ι ≥ 2 ρ，式中ι為埋地長(zhǎng)度，ρ為土壤電阻率，但金屬鋼管的埋地長(zhǎng)度不應(yīng)小于15m。金屬鋼管在雷電防護(hù)區(qū)交界處作等電位連接并接地，同時(shí)電纜在埋地處應(yīng)安裝電源SPD作限壓處理。非屏蔽線纜作為信號(hào)傳輸線路時(shí)，應(yīng)全線穿金屬管埋地敷設(shè)，在金屬管兩端與雷電保護(hù)區(qū)屏蔽層作等電位連接并接地，根據(jù)電流在金屬材質(zhì)中的趨膚效應(yīng)，此時(shí)為了不影響信號(hào)的傳輸，可不安裝信號(hào)SPD。

　　屏蔽線纜的屏蔽層可承受設(shè)計(jì)的雷電荷載時(shí)，可不穿金屬管敷設(shè)，但需要將金屬屏蔽層在防雷保護(hù)區(qū)臨界處與其他屏蔽層作等電位連接并接地，當(dāng)線纜屏蔽層不能承受設(shè)計(jì)的雷電荷載時(shí)需要另外穿金屬管敷設(shè)。

　　3 結(jié)論

　　微電子設(shè)備在不同的雷電保護(hù)區(qū)域時(shí)，需要采用不同的屏蔽措施，在室外時(shí)，需要增加雷電防護(hù)區(qū)以達(dá)到更好的屏蔽效果。當(dāng)微電子設(shè)備在大尺寸屏蔽空間內(nèi)時(shí)，需要將設(shè)備置于高雷電防護(hù)區(qū)內(nèi)，根據(jù)設(shè)備的屏蔽效能要求增設(shè)局部屏蔽措施，并將各防雷保護(hù)區(qū)屏蔽層做好等電位連接并接地，形成法拉第籠式的屏蔽空間。利用屏蔽效能測(cè)試公司 SE = 20 lg E1 E2 計(jì)算設(shè)備與防雷引下線的距離，根據(jù)距離曲線合理布置設(shè)備的位置。微電子設(shè)備連接線路的屏蔽措施也至關(guān)重要，連接線路屏蔽層兩端必須與其他屏蔽層作等電位連接并接地，因?yàn)檫B接線路屏蔽層一端接地只能起靜電屏蔽的作用。

　　微電子設(shè)備的防雷工程是一項(xiàng)綜合性工程，而非采用某一項(xiàng)單一的保護(hù)措施，當(dāng)安裝直擊雷防護(hù)裝置后，防雷引下線在發(fā)揮功效時(shí)，在其周?chē)泻軓?qiáng)的瞬變電磁場(chǎng)，此時(shí)如果沒(méi)有屏蔽措施，這變化的空間電磁場(chǎng)將對(duì)微電子設(shè)備造成干擾甚至破壞。屏蔽是減少雷電干擾的基本措施，是劃分不同防雷區(qū)的基本特征，在實(shí)際工作中，做好屏蔽措施能夠減少信號(hào)SPD的使用，在充分發(fā)揮電子設(shè)備功能的同時(shí)也能保障電子設(shè)備的防雷安全。