电磁兼容与可靠性设计

1、成都理工大学 信息工程学院电电 磁磁 兼兼 容与可靠性设计容与可靠性设计 为什么要学该课程？电磁兼容与可靠性的关系为什么要学该课程？电磁兼容与可靠性的关系？成都理工大学 信息工程学院可靠性可靠性 产品产品在规定条件下和在规定条件下和规定时间规定时间内，完成内，完成规定规定功能功能的能力。的能力。产品可靠性定义的要素是三个产品可靠性定义的要素是三个“规定规定” 。v“规定条件规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件。包括使用时的环境条件和工作条件。v“规定时间规定时间”是指产品规定了的任务时间。是指产品规定了的任务时间。v“规定功能规定功能”是指产品规定了的必须具备的功能及是指产品规定了的必须具

2、备的功能及其技术指标。其技术指标。成都理工大学 信息工程学院v产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，称之为事件或状态，称之为故障故障。（即产品丧失了规定的。（即产品丧失了规定的功能）功能）故障的表现形式，叫做故障的表现形式，叫做故障模式故障模式。引起故障的物理化学变化等内在原因，称引起故障的物理化学变化等内在原因，称故障机理。故障机理。v不可修产品（如电子元器件）：不可修产品（如电子元器件）：失效失效v产品的故障按其故障的规律可以分为两大类：产品的故障按其故障的规律可以分为两大类：偶然故障偶然故障渐变故障渐变故障成都理工大学 信息工

3、程学院v寿命剖面寿命剖面产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。它包含所经历的全部事件和环境的时序描述。它包含一个或多个任务剖面。一个或多个任务剖面。通常把产品的寿命剖面分为通常把产品的寿命剖面分为后勤后勤和和使用使用两个阶两个阶段。段。成都理工大学 信息工程学院任务剖面任务剖面v产品在完成规定任务这段时间内所经历的产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。任务剖面一般应事件和环境的时序描述。任务剖面一般应包括：包括：产品的工作状态；产品的工作状态；维修方案；维修方案；产品工作的时间与顺序；产品工作的时间

4、与顺序；产品所处的环境产品所处的环境(外加的与诱发的外加的与诱发的)的时间与顺的时间与顺序；序；任务成功或致命故障的定义。任务成功或致命故障的定义。成都理工大学 信息工程学院v基本可靠性基本可靠性产品在规定的条件下，产品在规定的条件下，无故障无故障的持续时间或的持续时间或概率。概率。v在没有后勤保障情况下系统在没有后勤保障情况下系统工作能力的度量工作能力的度量。v考虑所有需要维修保障的故障。考虑所有需要维修保障的故障。采用冗余，降低基本可靠性。采用冗余，降低基本可靠性。通常等于或低于任务可靠性。通常等于或低于任务可靠性。成都理工大学 信息工程学院v任务可靠性任务可靠性产品在规定的产品在规定的任

5、务剖面任务剖面内完成规定功能的能内完成规定功能的能力力v系统完成任务能力的度量系统完成任务能力的度量 v只考虑引起任务失败的故障只考虑引起任务失败的故障v通过冗余提高任务可靠性通过冗余提高任务可靠性v通常高于基本可靠性通常高于基本可靠性 成都理工大学 信息工程学院v固有可靠性固有可靠性产品在设计、制造过程中赋予的固有属性。产品在设计、制造过程中赋予的固有属性。产品的开发者可以控制。产品的开发者可以控制。v使用可靠性使用可靠性产品在实际使用过程中表现出的可靠性。产品在实际使用过程中表现出的可靠性。除固有可靠性的影响因素外，还要考虑安装、除固有可靠性的影响因素外，还要考虑安装、操作使用、维修保障等

6、方面因素的影响。操作使用、维修保障等方面因素的影响。成都理工大学 信息工程学院v可靠度可靠度产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率概率称为称为可靠度可靠度。依定义可知，系统的可靠度是时间的。依定义可知，系统的可靠度是时间的函数，表示为：函数，表示为：v式中，式中，R(t)可靠度函数；可靠度函数；v 产生故障前的工作时间产生故障前的工作时间；v t 规定的时间规定的时间 )()(tPtR 成都理工大学 信息工程学院依定义可知，可靠度函数依定义可知，可靠度函数R(t)为：为： 式中，式中，vN0 t = 0时，在规定条件下进行工作的产品

7、时，在规定条件下进行工作的产品数；数；vr(t) 在在0到到 t 时刻的工作时间内，产品的累计时刻的工作时间内，产品的累计故障数。故障数。00)()(NtrNtR 成都理工大学 信息工程学院不可靠度不可靠度v产品在规定的条件下和规定的时间内，丧产品在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能的概率称为失规定功能的概率称为累积故障概率累积故障概率（又（又叫叫不可靠度不可靠度）。）。依定义可知，产品的累积故障概率是时间的依定义可知，产品的累积故障概率是时间的函数，即函数，即 显然，以下关系成立：显然，以下关系成立：0)()(NtrtF 1)()( tFtR成都理工大学 信息工程学院故障率函数故障率函

8、数v故障率故障率工作到某时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后工作到某时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称之为产品的单位时间内发生故障的概率，称之为产品的故障故障率率。用数学符号表示为：用数学符号表示为：式中，式中， (t) 故障率；故障率； dr(t) t 时刻后，时刻后，dt 时间内故障的产品数；时间内故障的产品数； Ns(t) 残存产品数，即到残存产品数，即到t 时刻尚未故障的产时刻尚未故障的产品数。品数。dttNtdrts)()()( 成都理工大学 信息工程学院可按下式进行工程计算：可按下式进行工程计算： 式中，式中，r(t) t 时刻后，时刻后，t 时间内故障的

9、时间内故障的产品数；产品数； t 所取时间间隔；所取时间间隔； Ns(t) 残存产品数。残存产品数。对于低故障率的元部件常以对于低故障率的元部件常以 10-9/h 为故障率的为故障率的单位，称之为菲特（单位，称之为菲特（Fit）。）。ttNtrts )()()( 成都理工大学 信息工程学院平均故障前时间（平均故障前时间（MTTF）v设设N0个不可修复的产品在同样条件下进行试验，测得个不可修复的产品在同样条件下进行试验，测得其全部故障时间为其全部故障时间为t1,t2, tN0。其平均故障前时间（用。其平均故障前时间（用符号符号TTF表示）为：表示）为：v当当N0趋向无穷时，趋向无穷时，TTF为产

10、品故障时间这一随机变量的数学为产品故障时间这一随机变量的数学期望，因此，期望，因此，v当产品的寿命服从指数分布时，当产品的寿命服从指数分布时， 00)()(dttRdtttfTTF 10 dteTtTF 0101NiiTFtNT成都理工大学 信息工程学院平均故障间隔时间（平均故障间隔时间（MTBF）v一个可修系统在使用过程中发生了一个可修系统在使用过程中发生了N0 次故障，每次故障，每次故障修复后又重新投入使用，测得其每次次故障修复后又重新投入使用，测得其每次 工作工作持续时间为持续时间为t1,t2,tN0 。其平均故障间隔时间为。其平均故障间隔时间为式中，式中，T 产品总的工作时间。产品总的

11、工作时间。v显然，系统的平均故障间隔时间与系统的维修效显然，系统的平均故障间隔时间与系统的维修效果有关。果有关。01001NTtNTNiiBF 成都理工大学 信息工程学院问题问题v某微型计算机的某微型计算机的MTBF=10000小时，是否意味着小时，是否意味着该计算机每工作该计算机每工作10000小时才出一次故障？小时才出一次故障？v有一计算机系统的有一计算机系统的MTBF为为2000h，试求失效（故，试求失效（故障）率和可靠性。障）率和可靠性。 越小、越小、MTBF越长的机器就是好机器。可靠越长的机器就是好机器。可靠性已经成为衡量计算机性能的主要指标之一，并性已经成为衡量计算机性能的主要指标

12、之一，并且通常用且通常用MTBF或或MTTF来直接表示其可靠性的大来直接表示其可靠性的大小。小。成都理工大学 信息工程学院v可维性可维性对于可修复产品，只考虑其发生故障的概率对于可修复产品，只考虑其发生故障的概率显然是不合适的，还应考虑被修复的可能性。显然是不合适的，还应考虑被修复的可能性。维修（维修（Service）是指为保持和恢复产品完成是指为保持和恢复产品完成规定的功能而采取的技术和管理措施。规定的功能而采取的技术和管理措施。所谓所谓“可维性可维性”（Serviceability），），是指系是指系统在给定时间内，按规定的程序和方法进行维统在给定时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持

13、或恢复到能完成规定功能的能力。修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。它通常是从判定故障到排除故障所需要的时间，它通常是从判定故障到排除故障所需要的时间，包括故障诊断、故障定位、系统校正和恢复等包括故障诊断、故障定位、系统校正和恢复等时间，是系统维护效率的度量。时间，是系统维护效率的度量。成都理工大学 信息工程学院v可维性可维性“可保持性可保持性”（Maintainability）是指系统在给是指系统在给定时间内，可隔离故障或修复的概率。它表征了定时间内，可隔离故障或修复的概率。它表征了系统可以正常运行的概率。它是自动故障处理系系统可以正常运行的概率。它是自动故障处理系统中的一个重要指标，也是

14、反映维护人员对系统统中的一个重要指标，也是反映维护人员对系统保养好坏程度的一个重要指标。保养好坏程度的一个重要指标。维修率维修率是指修理时间已达到某一时刻，但尚未修是指修理时间已达到某一时刻，但尚未修复的产品，在该时刻后的单位时间内完成修理的复的产品，在该时刻后的单位时间内完成修理的概率，通常用概率，通常用表示。表示。成都理工大学 信息工程学院 v可维性可维性平均修复时间（平均修复时间（MTTR）是指产品修复时间的平均值。是指产品修复时间的平均值。修复时间是随机变量。修复时间是随机变量。MTTR可理解为产品修复时间的数学期望。当维修时可理解为产品修复时间的数学期望。当维修时间服从指数分布时，间

15、服从指数分布时，系统的系统的MTTR和和MTBF有关。从提高系统可用性角度有关。从提高系统可用性角度来看，提高来看，提高MTTR比减少故障数更为有效。比减少故障数更为有效。 10 dtetMTTRt成都理工大学 信息工程学院v可用性可用性可用性（可用性（Availability）也叫有效性或利用率。它是可也叫有效性或利用率。它是可维系统在某时刻具有或维持规定功能的能力，即系统维系统在某时刻具有或维持规定功能的能力，即系统在执行任务的任意时刻能正常工作的概率。在执行任务的任意时刻能正常工作的概率。对可修复系统，当考虑到可靠性和维修性时，综合评对可修复系统，当考虑到可靠性和维修性时，综合评价的尺度

16、就是价的尺度就是有效度有效度A(t)，它表示产品在规定条件，它表示产品在规定条件下保持规定功能的能力。可用下式计算：下保持规定功能的能力。可用下式计算：MTBF反映了可靠性的含义；反映了可靠性的含义；MTTR反映维修活动的反映维修活动的一种能力一种能力。两者结合即为固有有效度。两者结合即为固有有效度A(t)。MTTRMTBFMTBFtA )(成都理工大学 信息工程学院v系统系统系统系统是由相互作用和相互依赖的若干是由相互作用和相互依赖的若干单元单元结结合成的具有特定功能的有机整体。合成的具有特定功能的有机整体。v“系统系统”、“单元单元”相对概念相对概念可以是按可以是按产品层次产品层次划分：零

17、部件、组件、划分：零部件、组件、设备、分系统、系统、装备中任何相对的两层设备、分系统、系统、装备中任何相对的两层“系统系统”包含包含“单元单元”，其层次高于，其层次高于“单元单元”v产品产品可以指任何层次，也可视为系统或单可以指任何层次，也可视为系统或单元。元。 进行系统可靠性设计成都理工大学 信息工程学院v现代质量观认为，质量包含了系统的现代质量观认为，质量包含了系统的性能性能特性特性、专门特性专门特性、经济性、时间性、适应、经济性、时间性、适应性性等方面，是系统满足使用要求的特性总等方面，是系统满足使用要求的特性总和。和。v大型工程系统（如军事装备等）的研制过大型工程系统（如军事装备等）的

18、研制过程可分为程可分为（战术）技术指标论证（战术）技术指标论证、方案论方案论证及确认证及确认、工程研制（包括初步设计与详工程研制（包括初步设计与详细设计阶段）细设计阶段）、设计定型设计定型、生产定型生产定型五个五个阶段。阶段。 成都理工大学 信息工程学院v浴盆曲线：浴盆曲线：大多数产品的故障率随时间的大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，故称之为浴盆曲线。变化曲线形似浴盆，故称之为浴盆曲线。由于产品故障机理的不同，产品的故障率由于产品故障机理的不同，产品的故障率随时间的变化大致可以分为随时间的变化大致可以分为3个阶段：个阶段：t t使用寿命使用寿命早期早期故障故障偶然故障偶然故障耗损故障

19、耗损故障A AB B规定的规定的故障率故障率维修后故障维修后故障率下降率下降 (t)成都理工大学 信息工程学院早期故障阶段早期故障阶段。产品投入使用的初期，故障率较。产品投入使用的初期，故障率较高，且存在迅速下降的特征。该阶段产品的故障高，且存在迅速下降的特征。该阶段产品的故障主要是设计和制造中的缺陷，投入使用后很容易主要是设计和制造中的缺陷，投入使用后很容易暴露出来。暴露出来。偶然故障阶段偶然故障阶段。产品投入使用一段时间后，故障。产品投入使用一段时间后，故障率可降到一个较低的水平，且基本处于平稳状态，率可降到一个较低的水平，且基本处于平稳状态，可近似认为故障率是常数。可近似认为故障率是常数

20、。耗损故障阶段耗损故障阶段。产品投入使用相当长的时间后，。产品投入使用相当长的时间后，进入产品的耗损故障期，特点是故障率迅速上升，进入产品的耗损故障期，特点是故障率迅速上升，很快出现大批量的产品故障或报废。很快出现大批量的产品故障或报废。成都理工大学 信息工程学院可靠性分配可靠性分配系统可靠性分配就是系统可靠性分配就是将使用方提出的，在系统将使用方提出的，在系统设计任务书设计任务书(或合同或合同)中规定的可靠性指标，自中规定的可靠性指标，自上而下，由大到小，从整体到局部，逐步分上而下，由大到小，从整体到局部，逐步分解，分配到各分系统，设备和元器件解，分配到各分系统，设备和元器件。返回返回成都理

21、工大学 信息工程学院v可靠性分配的目的可靠性分配的目的可靠性分配的可靠性分配的目的是使各级设计人员明确其目的是使各级设计人员明确其可靠性设计要求，根据要求估计所需的人力、可靠性设计要求，根据要求估计所需的人力、时间和资源，并研究实现这个要求的可能性时间和资源，并研究实现这个要求的可能性及办法及办法。如同性能指标一样，是设计人员在可靠性方如同性能指标一样，是设计人员在可靠性方面的一个设计目标。面的一个设计目标。 成都理工大学 信息工程学院可靠性预计可靠性预计v可靠性预计的概念可靠性预计的概念可靠性预计是在设计阶段对系统可靠性进行可靠性预计是在设计阶段对系统可靠性进行定量的估计，是定量的估计，是根

22、据历史的产品可靠性数据、根据历史的产品可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境系统的构成和结构特点、系统的工作环境等等因素估计组成系统的部件及系统的可靠性。因素估计组成系统的部件及系统的可靠性。系统的可靠性预计是根据组成系统的元件、系统的可靠性预计是根据组成系统的元件、部件的可靠性来估计的，是一个部件的可靠性来估计的，是一个自下而上，自下而上，从局部到整体、由小到大从局部到整体、由小到大的一种系统综合过的一种系统综合过程。程。 成都理工大学 信息工程学院 可靠性预计与分配都是可靠性设计分可靠性预计与分配都是可靠性设计分析的重要环节，两者相辅相成，相互支持。析的重要环节，两者相辅相成，相

23、互支持。 前者是前者是自下而上自下而上的归纳综合过程，后的归纳综合过程，后者是者是自上而下自上而下的演绎分解过程。分配结果的演绎分解过程。分配结果是可靠性预计的依据和目标，预计的相对是可靠性预计的依据和目标，预计的相对结果是可靠性分配与指标调整的基础。设结果是可靠性分配与指标调整的基础。设计各阶段均相互交替反复进行多次。计各阶段均相互交替反复进行多次。 成都理工大学 信息工程学院v电磁兼容电磁兼容 EMC（Electromagnetic Compatibility） v 电磁兼容性（电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求电磁环境中符合要求运行运行并不对其环

24、境中的并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。 电磁兼容电磁兼容成都理工大学 信息工程学院v因此，因此，EMC包括两个方面的要求：一方面包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；生的电磁干扰不能超过一定的限值；(不干不干扰其它电子产品扰其它电子产品)v另一方面是指器具对所在环境中存在的电另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性（不被其他电子产品干扰）。感性（不被其他电子产品干扰）。 成

25、都理工大学 信息工程学院电磁干扰电磁干扰EMI(Electro Magnetic Interference) 所谓所谓“干扰干扰”，指设备受到干扰后性能降，指设备受到干扰后性能降低以及对设备产生干扰的干扰源这二层意思低以及对设备产生干扰的干扰源这二层意思 。，一切不希望有的东西都可称做，一切不希望有的东西都可称做“干扰干扰”。 其次是其次是“电磁电磁”。电荷如果静止，称为静电。电荷如果静止，称为静电。当不同的电位向一致移动时，便发生了静电。当不同的电位向一致移动时，便发生了静电放电，产生电流，电流周围产生磁常如果电流放电，产生电流，电流周围产生磁常如果电流的方向和大小持续不断变化就产生了电磁波

26、。的方向和大小持续不断变化就产生了电磁波。 成都理工大学 信息工程学院产生电磁干扰的条件1.突然变化的电压或电流，即突然变化的电压或电流，即dV/dt 或或 dI/dt 很大很大2.辐射天线或传导导体辐射天线或传导导体设计中，遇到电压、电流的突然变化，需设计中，遇到电压、电流的突然变化，需要考虑潜在的电磁干扰问题要考虑潜在的电磁干扰问题成都理工大学 信息工程学院常见干扰源雷电雷电NEMP脉冲电路脉冲电路ESD无线通信无线通信感性负载通断感性负载通断直流电机、变频调速器直流电机、变频调速器成都理工大学 信息工程学院电磁辐射对人体的影响电磁辐射对人体的影响v1、生物体对电磁辐射能量的吸收、生物体对

27、电磁辐射能量的吸收电离辐射和非电离辐射电离辐射和非电离辐射 电磁辐射的量子能量电磁辐射的量子能量 whf ，其中其中h 6.62 10-34JS 是是普朗克常数，普朗克常数，f f是频率（是频率（HzHz） f31015Hz 量子的能量可以使原子和分子电量子的能量可以使原子和分子电离离电离辐射，例如电离辐射，例如X射线辐射、射线辐射、射线辐射。射线辐射。 f31015Hz 量子的能量不能使原子和分子电量子的能量不能使原子和分子电离离非电离辐射。非电离辐射。 电磁干扰和电磁污染属于非电离辐射电磁干扰和电磁污染属于非电离辐射。成都理工大学 信息工程学院谐振吸收谐振吸收 当辐射频率与生物体（或某些器

28、官，例如眼当辐射频率与生物体（或某些器官，例如眼睛、大脑睛、大脑）的固有频率谐振时，吸收最强。）的固有频率谐振时，吸收最强。人体固有谐振频率的范围大约为人体固有谐振频率的范围大约为30M3000M Hz*，一般成年人的谐振吸收频率约为，一般成年人的谐振吸收频率约为400 MHz。成都理工大学 信息工程学院3、电磁辐射对人体的影响电磁辐射对人体的影响 目前，一般认为电磁辐射对人体的影响包括三个方目前，一般认为电磁辐射对人体的影响包括三个方面面、热效应、热效应 辐射功能密度辐射功能密度S S10mW/cm10mW/cm2 2（E E110V/m110V/m），人体），人体吸收的辐射能转化为热量，超

29、过人体体温调节能力时，吸收的辐射能转化为热量，超过人体体温调节能力时，会引起人体会引起人体 （或局部组织）体温明显升高（或局部组织）体温明显升高, , 或引起或引起生理功能紊乱生理功能紊乱( (人的体温每升高一度人的体温每升高一度, ,基础代谢增加约基础代谢增加约514%514%，组织中的氧的需求量增加，组织中的氧的需求量增加50100%50100%）。热效应）。热效应首先损伤人体上对热比较敏感的器官，首先损伤人体上对热比较敏感的器官， 例如眼睛、例如眼睛、大脑、男性生殖器等大脑、男性生殖器等。成都理工大学 信息工程学院v例如：眼睛的晶状体含有较多的水分，能够例如：眼睛的晶状体含有较多的水分，

30、能够吸收较多的微波能量，但血管又较少，不易吸收较多的微波能量，但血管又较少，不易带走过量的热。在微波照射下，可能眼的表带走过量的热。在微波照射下，可能眼的表层组织角膜还没有出现伤害，而晶状体已出层组织角膜还没有出现伤害，而晶状体已出现水肿。在大强度、长时间作用下会造成晶现水肿。在大强度、长时间作用下会造成晶状体混浊状体混浊, ,严重的将导致白内障严重的将导致白内障( (100mW/ 100mW/ cmcm2 2）。）。 S S10mW/cm10mW/cm2 2， 不会引起体温明显的升高，不会引起体温明显的升高，但可能使体内局部小范围内出现显著的能量但可能使体内局部小范围内出现显著的能量吸收吸收

31、( (谐振吸收谐振吸收) )，引起生理功能的障碍。，引起生理功能的障碍。成都理工大学 信息工程学院 、非热效应、非热效应 S1mW/cm2（E61.4 V/m），长时间照射也不），长时间照射也不会引起体温明显的升高，但会出现烦躁、头晕、疲劳、会引起体温明显的升高，但会出现烦躁、头晕、疲劳、食欲不振、失眠、记忆力减退、脱发、白血球升高、植食欲不振、失眠、记忆力减退、脱发、白血球升高、植物神经功能紊乱、脑电图和心电图的变化等症状物神经功能紊乱、脑电图和心电图的变化等症状*。 这这些一般称为电磁辐射的非热效应，这些症状在脱离辐射些一般称为电磁辐射的非热效应，这些症状在脱离辐射源后一般是可以逐渐恢复的

32、。源后一般是可以逐渐恢复的。、三致作用（致癌、致畸、致突变作用）、三致作用（致癌、致畸、致突变作用） 这是电磁辐射的远期效应，在国内外已经引起了重这是电磁辐射的远期效应，在国内外已经引起了重视，但尚无一致的意见。一些研究者的实验表明：长时视，但尚无一致的意见。一些研究者的实验表明：长时间的电磁辐射可能诱发癌症，也可能引起染色体的畸变，间的电磁辐射可能诱发癌症，也可能引起染色体的畸变，具有致畸、致突变作用具有致畸、致突变作用*。成都理工大学 信息工程学院v 根据电磁波产生的机理不同，我们一般将电磁根据电磁波产生的机理不同，我们一般将电磁干扰划分为干扰划分为自然电磁干扰自然电磁干扰和和人为电磁干扰

33、人为电磁干扰两种。两种。 非人为因素产生的电磁波，构成了电磁环境的一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、雷电和自然辐射是电和自然辐射是3种最重要的电磁干扰。种最重要的电磁干扰。 自然电磁环境自然电磁环境成都理工大学 信息工程学院v1 静电静电 v静电的形成静电的形成v如下图所示，绕原子如下图所示，绕原子A的原子核旋转的电子，的原子核旋转的电子，在外力的作用下，离开原来的原子在外力的作用下，离开原来的原子A而侵入而侵入其他的原

34、子其他的原子B。A原子因缺少电子数而呈带原子因缺少电子数而呈带正电现象，称为阳离子，正电现象，称为阳离子，B原子因增加电子原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。当外力数而呈带负电现象，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。得越来越不均匀，对外将表现为带电现象。成都理工大学 信息工程学院v 当两个不同的物体相互接触时，就会使得一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个物体失去一些电子(如电子转移到另一个物体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而带正电，另

35、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。会积累使物体带上静电。成都理工大学 信息工程学院v 所以物体与其他物体接触后再分离，就会带上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静电。在日常生活中，脱衣服产生的静电也是因为为“接触分离接触分离”而产生的。而产生的。v 常见材料的摩擦起电序列为：人体、玻璃、云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

36、乙烯、花、钢铁、木头、硬橡胶、聚脂薄膜、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯聚氯乙烯、聚四氟乙烯(PVC)。在这个序列表中，。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、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。分离的速率、湿度及两材料的导电性等。 成都理工大学 信息工程学院 潮湿的空气也是正负电荷中

37、和的路径。人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。放电路径，就会产生放电现象。 成都理工大学 信息工程学院l静电的危害静电的危害 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。人体上的电它的电荷量不同的物体之间的距离

38、。人体上的电压通常会达到压通常会达到8kV10kV，有时电压会更高，达，有时电压会更高，达到到12kV15kV。许多文献上称，人体的电压可。许多文献上称，人体的电压可以达到以达到30kV。但这是假设身体的最小辉光放电半。但这是假设身体的最小辉光放电半径为径为1cm时推断的。实际上，人体上许多部位的时推断的。实际上，人体上许多部位的辉光放电半径小于辉光放电半径小于1cm，因此在通常条件下是不，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会出现这么高电压的。人体上的最高电压应该是20kV左右。左右。 成都理工大学 信息工程学院 静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性。静电放电或传

39、导性瞬态表现出更大的敏感性。整体的性能表现为电子设备的性能越来越差，直整体的性能表现为电子设备的性能越来越差，直至完全损坏。至完全损坏。 要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏，这一点非常重要。人体有感觉的静电生的损坏，这一点非常重要。人体有感觉的静电放电电压为放电电压为3000V5000V，然而，元件发生损，然而，元件发生损坏时的电压仅几百伏。这势必会对电子电路的性坏时的电压仅几百伏。这势必会对电子电路的性能产生影响。相对于自然界的静电来说，电子器能产生影响。相对于自然界的静电来说，电子器件是非常娇贵的，正是基于这一因素，是否采取件是非常娇贵的，

40、正是基于这一因素，是否采取了防静电措施是衡量电子器件质量好坏的一个非了防静电措施是衡量电子器件质量好坏的一个非常重要的指标。常重要的指标。 成都理工大学 信息工程学院2 雷电雷电l雷电的形成雷电的形成 人们通常把发生闪电的云称为雷雨云，其实有几人们通常把发生闪电的云称为雷雨云，其实有几种云都与闪电有关，如层积云、雨层云、积云和种云都与闪电有关，如层积云、雨层云、积云和积雨云，最重要的是积雨云，一般专业书中讲的积雨云，最重要的是积雨云，一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。雷雨云就是指积雨云。 云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发

41、生凝结的过程。使空气中饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。使空气中水汽达到饱和是形成云的一个必要条件，其主要水汽达到饱和是形成云的一个必要条件，其主要方式有：方式有：成都理工大学 信息工程学院 (1)水汽含量不变，空气降温冷却；水汽含量不变，空气降温冷却； (2) 温度不变，增加水汽含量；温度不变，增加水汽含量； (3) 既增加水汽含量，又降低温度。既增加水汽含量，又降低温度。 但对云的形成来说，降温过程是最主要的过程。但对云的形成来说，降温过程是最主要的过程。而降温冷却过程中又以上升运动而引起的降温冷而降温冷却过程中又以上升运动而引起的降温冷却作用最为普遍。却作用最为普遍。 积雨云是一种在强烈

42、垂直对流过程中形成的云。积雨云是一种在强烈垂直对流过程中形成的云。由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，所由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，所以白天地面温度升高较多，夏日这种升温更为明以白天地面温度升高较多，夏日这种升温更为明显，近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也显，近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，成都理工大学 信息工程学院 压强也随着降低，根据力学原理它就要上升，上压强也随着降低，根据力学原理它就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。热方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。热气

43、流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气团中的水汽凝结而出气进行热交换，于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云中的现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花，雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花，并随高度逐渐增多。在冻结高度并随高度逐渐增多。在冻结高度(-10)，由于过，由于过冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，达到对流层顶附近后，向水平方向铺展，形成云达到对流层顶附近后，向水平方向铺展，形成云砧，是积雨云

44、的显著特征。砧，是积雨云的显著特征。 成都理工大学 信息工程学院 积雨云形成过程中，在大气电场、温差起电效应积雨云形成过程中，在大气电场、温差起电效应和破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在和破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程度，就云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就是会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就是人们平常所说的雷电。当云层放电时，由于云中人们平常所说的雷电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达度高达600020000

45、，所以发出耀眼的强光，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。种强烈的冲击波活动形成了雷声。成都理工大学 信息工程学院 雷击通常有雷击通常有3种形式：种形式：直击雷、感应雷和球形雷直击雷、感应雷和球形雷。直击雷直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，猛的放电现象，感应雷感应雷是当直击雷发生以后，云是当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，地面某些范围由于散流电阻大，层

46、带电迅速消失，地面某些范围由于散流电阻大，出现局部高电压，或在直击雷放电过程中，强大出现局部高电压，或在直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应，的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应，发生高电压而发生闪击现象的二次雷，发生高电压而发生闪击现象的二次雷，球形雷球形雷比比较多见于山区，其登堂入室的报道常见于报端。较多见于山区，其登堂入室的报道常见于报端。 成都理工大学 信息工程学院l雷电的破坏作用雷电的破坏作用 雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾难。雷电具有以下几个特点：冲击电流非常大，灾难。雷电具有以下几个特点：冲

47、击电流非常大，其电流高达几万至几十万安培。持续时间短，一其电流高达几万至几十万安培。持续时间短，一般雷击分为般雷击分为3个阶段，即先导放电、主放电和余个阶段，即先导放电、主放电和余光放电，整个过程一般不会超过光放电，整个过程一般不会超过60s。雷电流变。雷电流变化梯度大，有的可达化梯度大，有的可达10KA/s。冲击电压高，强。冲击电压高，强大的电流产生交变磁场，其感应电压可高达上亿大的电流产生交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。伏。 雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌3种。 成都理工大学 信息工程学院 在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体、建筑物在雷暴活动区域内，

48、雷云直接通过人体、建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称为或设备等对地放电所产生的电击现象，称为直接直接雷击雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能。在雷电流或设备时，强大的雷电流转变成热能。在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力。产生强大的冲击性机械力。 感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的很大

49、，会产生强大的交变磁场交变磁场，使得周围的金属，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。坏性。成都理工大学 信息工程学院 感应雷主要有两种：静电感应雷和电磁感应雷。感应雷主要有两种：静电感应雷和电磁感应雷。 静电感应雷：静电感应雷：带有大量负电荷的雷云所产生的电带有大量负电荷的雷云所产生的电场场E将会在架空明线上感生出被电场束缚的正电将会在架空明线上感生出被电场束缚

50、的正电荷。当雷云对地放电或对云间放电时，云层中的荷。当雷云对地放电或对云间放电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了负电荷在一瞬间消失了(严格说是大大减弱严格说是大大减弱)，于，于是在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在是在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击，从而对电器设电荷将沿着线路产生大电流冲击，从而对电器设备产生不同程度的影响。备产生不同程度的影响。 成都理工大学 信息工程学院 电磁感应雷电磁感应雷：雷击发生在供电线路附近，或击在：雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强

51、大的交变电磁场，此交变电磁避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上场的能量将感应于线路并最终作用到设备上(由于由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了加了)，对用电设备造成极大危害。，对用电设备造成极大危害。 最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通信线路中感应的而是由于雷击发生时在电源和通信线路中感应的电流浪涌电流浪涌引起的。浪涌电压可以从电源

52、线或信号引起的。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入电脑设备线等途径窜入电脑设备.成都理工大学 信息工程学院 3 自然辐射自然辐射 自然辐射干扰源的种类非常多，主要有电子噪声、自然辐射干扰源的种类非常多，主要有电子噪声、大地表面磁场、大地磁层、大地表面的电场、大大地表面磁场、大地磁层、大地表面的电场、大地内部的电场、大气中的电流电场、闪电和雷暴地内部的电场、大气中的电流电场、闪电和雷暴的电场、太阳无线电辐射和银河系无线电辐射等。的电场、太阳无线电辐射和银河系无线电辐射等。 电子噪声主要来自设备内部的元器件，是决定接电子噪声主要来自设备内部的元器件，是决定接收机噪声系数的重要因素。常见的电子噪

53、声源包收机噪声系数的重要因素。常见的电子噪声源包括热噪声、散弹噪声、分配噪声、括热噪声、散弹噪声、分配噪声、l/f噪声和天线噪声和天线噪声等。热噪声具有极宽的频谱，能量随温度而噪声等。热噪声具有极宽的频谱，能量随温度而变化，温度越低，噪声越小。变化，温度越低，噪声越小。 成都理工大学 信息工程学院 大气中的电荷在电场作用下沿电场方向移动，大气中的电荷在电场作用下沿电场方向移动，形成一个恒定的电流流入大地，从而把正电荷输送形成一个恒定的电流流入大地，从而把正电荷输送到大地上。对整个地球来说可产生到大地上。对整个地球来说可产生1.5kA数量级的数量级的电流，因此地球很像一个巨大的发电机。电流，因此

54、地球很像一个巨大的发电机。 宇宙噪声主要来自太阳辐射和银河系无线电辐宇宙噪声主要来自太阳辐射和银河系无线电辐射。太阳辐射可分为热辐射和非热辐射两类，热辐射。太阳辐射可分为热辐射和非热辐射两类，热辐射频谱从十几兆赫到射频谱从十几兆赫到30GHz，在太阳黑子剧烈活动，在太阳黑子剧烈活动期的辐射强度比静止期大期的辐射强度比静止期大60dB。银河系无线电辐。银河系无线电辐射频率在射频率在150MHz200MHz频段内。因此宇宙噪声频段内。因此宇宙噪声在在20MHz500MHz频率范围内影响相当明显。频率范围内影响相当明显。成都理工大学 信息工程学院1 辐射干扰源辐射干扰源 雷达系统、电视和广播发射系统

55、、射频感应及雷达系统、电视和广播发射系统、射频感应及介质加热设备、射频及微波医疗设备、各种电加介质加热设备、射频及微波医疗设备、各种电加工设备、通信发射台站、卫星地球通信站、大型工设备、通信发射台站、卫星地球通信站、大型电力发电站、输变电设备、高压及超高压输电线、电力发电站、输变电设备、高压及超高压输电线、地铁列车及电气火车以及大多数家用电器等都是地铁列车及电气火车以及大多数家用电器等都是可以产生各种形式、不同频率、不同强度的电磁可以产生各种形式、不同频率、不同强度的电磁辐射源。辐射源。 人工电磁干扰人工电磁干扰成都理工大学 信息工程学院 常见的常见的信息辐射干扰源信息辐射干扰源有发送设备、本

56、地振荡器、非有发送设备、本地振荡器、非线性器件和核爆脉冲等。线性器件和核爆脉冲等。 1. 发送设备发送设备: 发送设备通过发送天线辐射出去，有发送设备通过发送天线辐射出去，有时通过编织屏蔽层和通风管道辐射出去，通过连接时通过编织屏蔽层和通风管道辐射出去，通过连接电缆向外辐射。电缆向外辐射。 雷达系统、电视和广播发射系统、射频感应及介雷达系统、电视和广播发射系统、射频感应及介质加热设备、射频及微波医疗设备、各种电加工设质加热设备、射频及微波医疗设备、各种电加工设备、通信发射台站、卫星地球通信站、大型电力发备、通信发射台站、卫星地球通信站、大型电力发电站、输变电设备、高压及超高压输电线、地铁列电站

57、、输变电设备、高压及超高压输电线、地铁列车及电气火车以及大多数家用电器等都是可以产生车及电气火车以及大多数家用电器等都是可以产生各种形式、不同频率、不同强度的电磁辐射源。各种形式、不同频率、不同强度的电磁辐射源。 成都理工大学 信息工程学院 2. 本地振荡器本地振荡器 在多数设备中，主要的发射源是在多数设备中，主要的发射源是印制电路板印制电路板(PCB)上电路上电路(时钟、视频和数据驱动器，及其他时钟、视频和数据驱动器，及其他振荡器振荡器)中流动的电流。中流动的电流。 在大多数情况下，这些由本地设备的振荡电路在大多数情况下，这些由本地设备的振荡电路产生的辐射干扰的总功率往往不是太大。但因为产生

58、的辐射干扰的总功率往往不是太大。但因为这些干扰源距离较短，且与被干扰者处于相同的这些干扰源距离较短，且与被干扰者处于相同的电磁环境，它们的影响往往不容忽视。在电子设电磁环境，它们的影响往往不容忽视。在电子设备的设计与施工过程中，人们一般比较重视外来备的设计与施工过程中，人们一般比较重视外来的电磁干扰对设备工作的影响，采取的措施也比的电磁干扰对设备工作的影响，采取的措施也比较得当，但对本设备内部的干扰源往往重视不够较得当，但对本设备内部的干扰源往往重视不够。成都理工大学 信息工程学院 3. 设备功能非线性产生的辐射设备功能非线性产生的辐射 所谓设备功能非线性所产生的辐射干扰，指所谓设备功能非线性

59、所产生的辐射干扰，指的是电路中器件工作在非线性状态时所产生的干的是电路中器件工作在非线性状态时所产生的干扰。如丙类放大器、检波器、混频器等都工作在扰。如丙类放大器、检波器、混频器等都工作在器件的非线性状态，它们的输出端将产生不希望器件的非线性状态，它们的输出端将产生不希望有的有的谐波分量谐波分量和互调产物。这些谐波分量和互调和互调产物。这些谐波分量和互调产物在电路中传导后，当辐射条件具备时，将以产物在电路中传导后，当辐射条件具备时，将以电磁波的形式向空中辐射。电磁波的形式向空中辐射。成都理工大学 信息工程学院 4. 核电磁脉冲辐射核电磁脉冲辐射 核电磁脉冲辐射是能量很大的一种特殊的辐核电磁脉冲

60、辐射是能量很大的一种特殊的辐射干扰源。爆炸核武器时，核辐射与周围环境相射干扰源。爆炸核武器时，核辐射与周围环境相互作用，使带电粒子强烈运动，由此产生核电磁互作用，使带电粒子强烈运动，由此产生核电磁脉冲。这种强脉冲的突出特点是：脉冲上升时间脉冲。这种强脉冲的突出特点是：脉冲上升时间极短，仅有极短，仅有l0ns左右；频谱极宽，由超长波到微左右；频谱极宽，由超长波到微波波段的低端；脉冲的场强极强，电场强度为波波段的低端；脉冲的场强极强，电场强度为10V/m，磁场强度为，磁场强度为100A/m；脉冲释放的能量极；脉冲释放的能量极大，可为大，可为4109J。这样强大的核电磁脉冲所产。这样强大的核电磁脉冲