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1、EMP对电子电路的影响及其防护The Influence of EMP on Circuits and Its Protection吴淑忠，张振新（西安电子科技大学 机电工程学院，西安 710071）Wu Shu-zhong, Zhang Zhen-xin(Mechanical-electronic Engineering Institute of Xidian University,xian 710071,China)摘要：EMP对电子电路的正常工作构成了严重的威胁，其防护日显重要。本文根据电磁脉冲的特点分析了EMP对电子电路的损伤模式及其危害程度评估，最后给出了相应的防护措施，重点介绍了保
2、护电路的应用，并对实际例子进行了分析。关键词：电磁脉冲；电子电路；损伤；保护电路中图分类号：TN788 文献标识码：AAbstract: The circuits are serious threatened by EMP, and its protection is becoming more and more important. This paper analyzes the damage modes of the circuit and the assessment of damage, basing on the characteristics of EMP. Finally, so
3、me corresponding protective measures are given, the application of protection circuit is highlighted and practical examples are analyzed too.Keywords: EMP; Circuit; Damage; Protection CircuitCLC number: TN788 Document code: A1. 引言随着电子技术的发展，很多电子设备和电路的工作频率不断提高，而工作电压却逐渐降低，因而对电磁脉冲（EMP）的敏感性和易损性也不断增加。同时，电
4、子系统中大量采用集成电路，而集成电路对电磁脉冲比较敏感，往往一个较大的电磁脉冲，就会使集成块产生误码、记忆信息丢失甚至电子元器件失效或烧毁。上述情况对电子设备及系统的正常工作构成了很大的威胁。因此，研究电磁脉冲对电子电路的影响及其防护变得十分迫切。本文根据电磁脉冲的特点介绍了EMP对电子电路的损伤模式以及危害程度的评估，给出了防护措施，并对实际应用的保护电路进行了分析。2. 电磁脉冲的特点电磁脉冲是短暂瞬变的电磁现象，它以空间辐射的形式传播，是一种十分严重的电磁干扰源。其频谱覆盖范围很宽，可以从甚低频到几百MHz；从波形上看，电磁脉冲具有很高的场强峰值，电场强度可达40kV/m或更高，磁感应强
5、度可达10mT，而且上升时间很快，典型数据为10ns；作用范围很广，可达数百到上千公里。输电线、天线、外露的或是埋设在地下的电缆线、各种屏蔽壳体等被电磁脉冲照射后都会感应产生强大的脉冲射频电流，如果进入设备内部将产生严重的干扰甚至使设备遭到破坏。一般的电磁脉冲只能摧毁没有防护的电路，而核爆炸产生的电磁脉冲能摧毁充分加固的电路。3. EMP对电子电路的影响3.1 损伤模式电子设备一般都安装在屏蔽机箱中，因此电磁脉冲主要通过天线、固定电气连接线和互连电缆将能量耦合到设备的内部。当EMP在输入端产生的电压或电流高达一定程度时，就可导致数字电路输出端逻辑值的改变；出现超宽带短脉冲EMP干扰时，振荡器的
6、输出频率会变高，这样必然引起下级电路的逻辑功能紊乱。此外，单元电路（如放大器）、模拟集成电路在较高场强下会出现饱和，其饱和时间随场强的增加而增加。EMP对电子电路的作用模式可以概括为以下四个方面：(1) 热效应电磁脉冲产生的热效应一般是在纳秒或微秒量级完成的，是一种绝热过程。这种效应可以使微电子器件、电磁敏感电路过热或输入保护电阻、金属氧化物半导体（MOS）器件中金属条烧毁，导致电路性能变坏或失效，表1给出了常用电子器件的烧毁门限。(2) 干扰和电涌效应电磁脉冲产生的射频干扰对电子电路造成电噪声、电磁干扰，使其产生误动作或功能失效。此外，电磁脉冲引起的瞬态过电压或电涌效应对电子电路还会造成硬损
7、伤，主要表现为半导体器件的短路，开路，PN结击穿，氧化层击穿等现象；还可能形成累积效应，使电路的可靠性降低，埋下潜在的危害。(3) 强电场效应电磁脉冲源形成的强电场不仅可以使MOS栅氧化层或金属化线间造成介质击穿，致使电路失效，而且会对敏感器件的工作可靠性产生影响。(4) 磁效应表1 电子器件的烧毁门限器件类型能量(焦耳)GaAsMESFET 10-110-6存储磁芯 10-9MMIC 710-7510-6微波二极管 210-6510-6VLSI 210-6210-5双极晶体三极管 10-510-4CMOS RAM 710-510-4场效应管 10-5开关晶体管 10-5高增益放大器 10-5
8、MSI 10-4610-4SSI 610-410-3运算放大器 210-3610-3电磁脉冲引起的强电流可以产生强磁场，使电磁能量直接耦合到系统内部的电子电路，干扰其正常工作。3.2 危害程度评估EMP对电子电路的影响可以分为四个级别：扰乱、降级、损坏、摧毁，这主要取决于电磁脉冲所产生的功率，与目标之间的距离以及电磁脉冲辐射的特性（频率、脉冲速率、脉冲持续时间等），还有目标的防护能力。美军的试验结果表明，电磁脉冲能量密度在0.011mW/cm2时，可产生虚假信号，系统性能下降或是丧失部分功能；在0.011W/cm2时，系统的芯片将被损伤；在10100W/cm2时，系统元器件和逻辑电路将被烧毁，
9、一些敏感的模块遭受破坏；当达到100010000W/cm2时，整个结点将被摧毁，短时间之内难以修复。4. 电子电路的EMP防护4.1 防护措施常用的电子电路EMP防护措施主要有：屏蔽、接地、滤波、加防护器件。(1) 屏蔽屏蔽是防止或减小电磁干扰最常用和最有效的方法之一, 可以抑制电磁脉冲沿空间的传播，即切断电磁脉冲的传播途径。(2) 接地能够将EMP干扰引入大地，特别是屏蔽机箱的接地非常必要。(3) 滤波滤波可以对一定频带范围的干扰进行抑制，包括信号线滤波和电源线滤波。EMP是宽频带干扰，对于电源线和工作在特定频段的信号通道，带通滤波器可以有效地抑制电磁脉冲能量的引入。(4) 加防护器件若要使
10、电子电路达到理想的EMP保护效果，可在电源端和输入/输出端同时加上EMP防护器件。EMP防护器件能够平滑电涌前沿，抑制尖峰脉冲，限制最大电压使其接近系统工作电压，耗散(或旁路)大的能量。加防护器件是目前应用比较广泛、效果比较明显的一种防护措施，也是抗EMP加固研究的主要方面。常用的EMP防护器件主要有火花隙、半导体保护器件（例如整流二极管、齐纳稳压二极管、硅二极管）、氧化物变阻器等。火花隙能够有效的抑制电涌，但不能完全消除电涌，其残余的能量对低压精密器件还是会有损伤的，而半导体保护器件响应时间快，能够很好地消除电涌威胁，它一般用于小能量、低电压、小电流电路中作为后级防护。如图1中的保护电路的初
11、级防护用的是火花隙，次级防护用的是齐纳二极管将过压电流旁路到地。4.2 保护电路防护器件一般不能单独使用，必须综合使用各种防护器件组成保护电路才能应用，例如图2所示保护电路是由火花隙和低通滤波器组成的。我们以适当的形式将EMP防护器件连接在电子电路的输入端与地之间，平时相当于开路，当输入端的电磁脉冲信号幅度超过EMP防护器件的反向击穿电压时，保护器件能为大电流提供一个到地的低阻抗通道，从而抑制了瞬态过压对电子电路的影响，起到了抗电磁脉冲保护的作用。因此，组成EMP保护电路的器件应该具有很小的反向漏电流，低的脉冲击穿电压，很快的响应时间，而且能够承受瞬时反向大电流的冲击而不会自毁，更重要的是不能
12、影响受保护电路的工作性能。目前，常用的EMP半导体保护器件组合防护电路有串联电路，并联电路和桥式电路。其中并联方式（见图3）的防护电路应用比较广泛，它对于双向防护的效果最好，所用的元器件也比较少。图1 火花隙和齐纳二极管组成的保护电路次级防护初级防护 图2 火花隙和滤波器组成的保护电路火花隙低通滤波器 图3 采用并联方式的保护电路4.3 实际应用分析运算放大器的损伤失效阈值只有千分之几焦耳（参见表1），当出现电涌时很容易受到损伤，因此运算放大器的过压保护(OVP)显得很重要。下面就运算放大器过压保护电路的3种接法进行分析比较：第一种接法是使用钳位二极管旁路过压电流。大部分运算放大器内部都有嵌位
13、二极管连接到电源的过压保护电路，它旁路尖峰信号到电源。一般来说这些二极管就可以足够处理过压保护了，但是为了保险起见最好从外部在电源端再加上钳位二极管。当出现过压时，内部和外部二极管可以共同分担过压电流，这样就减少或消除了流入放大器的过压电流(见图4)。这种接法意味着电源必须吸收电流，而实际上很多电源不能吸收电流，如果没有过压保护，电源电压将会上升，从而引起器件损坏。VCCVEEILEAKILEAKRLIMITCRCR图4 利用电源端的外部钳位二极管旁路过压电流第二种接法是使用齐纳二极管作为过压保护器，利用限流电阻将过压电流旁路到地，如图5所示。需要注意的是只有当齐纳电压低于电源电压时放大器内部
14、的二极管才不会导通，保护电路才会起作用。通常齐纳二极管的反向漏电流要大于硅二极管，反向电流会随着电压接近击穿电压而迅速增大，如果输入信号摆幅很大，反向电流与电压的关系就会出现非线性。另外，齐纳二极管的电容也随着电压而变化，而且它的电容要比硅二极管的大。齐纳二极管过大的泄漏电流和电容会导致运算放大器失真和带宽降低，从而影响了原电路的工作性能。图5 利用齐纳二极管将过压电流旁路到地VCCVEERLIMITILEAKCZCZ第三种接法是采用图3的并联方式，并联齐纳二极管以及串联硅二极管(如图6所示)，这样可以改善第二种接法的带宽降低和漏电流过大等特性。此时，输入信号源的总电容降为2 x CR，漏电流
15、也降为硅二极管的水平。这种保护电路结构弥补了上述两种的不足，是三种接法中最优的。值得一提的是，这种接法也适合于反相放大器。图6 采用并联方式的齐纳二极管保护电路VCCVEERLIMITILEAKCZCZCRCR5. 结束语EMP可以通过很多途径耦合到电子设备内部并对电子电路造成多种模式的损伤。电子电路的EMP防护原则是以保护电路为主的基础上综合应用屏蔽、接地、滤波等措施，从而避免或降低EMP对电子电路的危害。参考文献：1王英.高能电磁脉冲武器对计算机系统的毁伤及防护措施J.情报指挥控制系统与仿真技术,2005.62S.Sebastiani. Protecting VHF antennas from EMP. IEEE 1991 International Symposium on 12-16 Aug.1991 Page(s):297-3033余彦胤.半导体保护器件的EMP响应技术研究A.第11届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集C4钱宗峰,张德兴,曹学军.现代战争中电磁脉冲武器的战场运用及防护J.国防技术基础,2006,75龚亮亮.军用电子装备对于强电磁脉冲的防护J.舰船电子工程,2004,24作者通信地址：陕西省西安市西安电子科技大学192信箱 邮编：710071 电话：（029）88202462
