204年66016s161 0,No D0110.13336.1003-6520.hve2014.06.001 电磁兼容与电磁防护相关研究进展 刘尚合，刘卫东 (军械工程学院静电与电磁防护研究所，石家庄050003】 ,电磁兼容 护 个有机的整 成系 等角 工作进行 指出日益 的分析 技术，推进电磁防护新技术、新材料、新器件的开发和工程化应用等己成为该领域的研究热点 关键词：电磁环境：电磁环境效应：电磁装容：电做干扰：电磁防护，电磁能量合：感对象 Progress of Relevant Research on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Protection LIU Shanghe,LIU Weidong Research Institute of Electrostatic and Electrom cal Engineering College,.China) whole The arches foous on the electromagnetic environment oas to support the survivability and serviceability of these devices or systems in predeter- mined electromagnetic environments.In terms of three basic elements,namely electromagnetic interference soure coupling pathways of the electromagnetic energy,and sensitive objects,we summarized the stu es of simulat山on,mode ng.festing.and prote gly high is co d that the comp ing technologies are ug cauired namely develoning ranid ace identifcation and locatio technologies,establishing compatibility prediction models of large a and Key 射、太阳系和星际电磁辐射、地球和大气层电磁场 0引言 等。 人为因素包括无线电台等各种系统产生的电磁 电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC 发射：高电压送、变电系统等产生的工频电磁辐射 与电磁防护和电磁环境及电磁环境效应 各种家用电器、电动工具等产生的电磁辐射以及用 ment effect,E3)密切相关. 于军事目的的各类强电磁脉冲源，如雷达、电磁脉 电磁环境是指存在于给定空间所有电磁现多 冲武器等产生的电磁辐射等。 的总和。构成电磁环境的因素十分复杂，既有自然 电磁环境效应是指构成电磁环境的总体或某 因素也有人为因素。其中，自然因素包括雷电电磁 因素对设备或生物体的作用效果，它几乎包罗所有 辐射、静电放电(,.ESD)电磁 的电磁学科，如电磁兼容与电磁骚扰、电磁易损性 电磁防护、电磁辐射危害以及雷电和沉积静电等自 基全资助项目家然科学6 然现象效应 e Foundation of China 61172051 1002016 al Eleetronic Publishing House.All rights rved /www.cnki.ne
第 40 卷 第 6 期：1605-1613 高电压技术 Vol.40, No.6: 1605-1613 2014 年 6 月 30 日 High Voltage Engineering June 30, 2014 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.06.001 电磁兼容与电磁防护相关研究进展 刘尚合，刘卫东 （军械工程学院静电与电磁防护研究所，石家庄 050003） 摘 要：从内涵和外延上看，电磁兼容与电磁防护是一个有机的整体，其研究重点都是电磁环境对设备或系统的 作用机理、能量耦合途径等，目的都是为了保障设备或系统在预定电磁环境中的生存能力和运行能力。围绕电磁 干扰源、电磁能量耦合途径和敏感对象这 3 个基本要素，重点从仿真建模、实验测试、防护措施等角度对国内外 开展的相关研究工作进行了概述和分析，指出日益复杂的电磁环境、高度集成的电子设备及系统对电磁兼容与电 磁防护研究提出了更高要求，即发展快速、准确、智能化的电磁干扰溯源技术，建立更大规模、更复杂系统在宽 带范围内的电磁兼容预测模型，研究电磁能量主要耦合途径的分析确定方法和电磁环境效应的多物理场联合建模 技术，推进电磁防护新技术、新材料、新器件的开发和工程化应用等已成为该领域的研究热点。 关键词：电磁环境；电磁环境效应；电磁兼容；电磁干扰；电磁防护；电磁能量耦合；敏感对象 Progress of Relevant Research on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Protection LIU Shanghe, LIU Weidong (Research Institute of Electrostatic and Electromagnetic Protection, Mechanical Engineering College, Shijiazhuang 050003, China) Abstract：Viewed from both intension and extension, electromagnetic compatibility and electromagnetic protection are an intrinsic whole. The related researches focus on the action mechanism and energy coupling of devices and systems in electromagnetic environment so as to support the survivability and serviceability of these devices or systems in predetermined electromagnetic environments. In terms of three basic elements, namely electromagnetic interference source, coupling pathways of the electromagnetic energy, and sensitive objects, we summarized the studies of simulation, modeling, testing, and protection strategies. It is concluded that the complex environment and highly integrated electronic equipment have increasingly high demands on electromagnetic compatibility and electromagnetic protection, and following technologies are urgently required, namely, developing rapid, accurate and intelligent electromagnetic interference identification and location technologies, establishing electromagnetic compatibility prediction models of large scale and complex systems, and finding the methods for analyzing and determining electromagnetic energy coupling and unite model technologies of electromagnetic environment effect. Besides, the development and industrial utilization of new techniques, new materials and new devices become a trend. Key words：electromagnetic environment; electromagnetic environment effect; electromagnetic compatibility; electromagnetic inference; electromagnetic protection; electromagnetic energy coupling; sensitive object 0 引言1 电磁兼容(electromagnetic compatibility, EMC) 与电磁防护和电磁环境及电磁环境效应 (electromagnetic environment effect, E3)密切相关。 电磁环境是指存在于给定空间所有电磁现象 的总和。构成电磁环境的因素十分复杂，既有自然 因素也有人为因素。其中，自然因素包括雷电电磁 辐射、静电放电(electrostatic discharge, ESD)电磁辐 ——————— 基金资助项目：国家自然科学基金(61172035)。 Project supported by National Natural Science Foundation of China (61172035). 射、太阳系和星际电磁辐射、地球和大气层电磁场 等。人为因素包括无线电台等各种系统产生的电磁 发射；高电压送、变电系统等产生的工频电磁辐射； 各种家用电器、电动工具等产生的电磁辐射以及用 于军事目的的各类强电磁脉冲源，如雷达、电磁脉 冲武器等产生的电磁辐射等。 电磁环境效应是指构成电磁环境的总体或某 因素对设备或生物体的作用效果，它几乎包罗所有 的电磁学科，如电磁兼容与电磁骚扰、电磁易损性、 电磁防护、电磁辐射危害以及雷电和沉积静电等自 然现象效应
1606 高电压技术 2014,40(6 电磁兼容是指设备、分系统、系统在共同的电 精度也得以不断提高。文献「2]还提出了在工作状态 破环境中能同时执行各自功能的共存状态。它主要 下利用双电流探头对共摸和差模噪声题阳抗进行精 包括2个方面的内容： 一是设备、分系统、系统 确提取的方法。 预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全格度实 电磁干扰的辐射发射测试主要利用开阔场、电 现设计的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生 波暗室等开展，此类测试方法得到的往往是多个辐 不可接受的降级：二是设备、分系统、系统在预定 射电磁干扰在测试点处的矢量叠加，即辐射总干扰。 的电磁环境中正常工作且不会给环境（或其他设备） 那么在对大型复杂系统进行辐射电磁干扰测试时， 带来不可接受的电磁干扰， 多个子系统辐射产生的电磁干扰就会混叠在一起， 电磁防护是指为在设计、研制和生产过程中神 无法准确获得某子系统单独辐射产生的电磁干扰频 设备具有抗电磁干扰或电磁毁伤能力而采取的技才 谱特征。针对该向愿，文献[3)介绍了 种基于自远 措施，也包括为消除电磁环境对电爆装置、燃油及 应对清原理的辐射电磁干扰测量方法，通过对周用 人员影响而采取的技术措施和对策 电磁干扰的自活应滤除可以实现对任一子系统的电 综上所述，电磁兼容与电磁防护在内涵和外对 磁干扰测试。 此外，为准确描述电磁干扰源特征及 上是一个有机的整体，它们研究的重点都是电磁环 其辐射干扰机理，具有高测量精度和可靠性的近场 境对设备或系统的作用机理、能量耦合途径等，即 扫描技术也被广泛应用，比如文献[4基于盲源分离 电磁环境效应：目的都是为了保障设备或系统在预 算法和近场波阻抗测试，实现了对辐射电磁干扰源 定电磁环境中的生存能力和运行能力。 个数和特性的分析：文献[5)则利用反向传播神经网 电磁拖容研究经历了“问顾解决法”、“标准程 络实现了对电磁干扰源的分类识别。 制法”和“分析预测法或称系统设计法)”3个阶段 通过电磁干扰测试还可以实现对电磁干扰源 系统级和系统间的电磁兼容预测是目前电磁兼容 的实时定位，从而有利于对干扰源的快速排查。 术研究的最高阶段，其涵盖的范围非常广泛，但限 献6]利用电磁干扰检测器和无线网络组建了2种类 于篇幅，无法一一涉及，本文将重点围绕形成电磁 型的ESD事件定位系统ESd event locator system 干扰或电磁危害的3个基本要素：电磁干扰源 EELS,如图1所示， 用于对硬盘制造车间内存 磁能量耦合途径和电磁敏感对象，对国内外开展的 的ESD事件进行监测。测试结果显示：基于电磁司 相关研究工作进行归纳概述。 扰强度的EELS可用于小范围内ESD事件的监测， 1电磁干扰源的研究 其在1.5m×1.5m范围内的定位误差约为10.3cm 基于接收信号强度指示的EELS可用于较大范内 1.1电磁干扰源测试分析 ESD事件的监测，其在10m×10m范围内的定位误 从电磁环境的构成要素可见，电磁干扰源具有 差约为24cm 多种表现形式 为分析电磁干扰(ele 12电磁干扰源仿真建楼 inference.EM)的形成机理及其抑制措施，一般要对 仿真建模是进行电磁兼容分析预测的重要技 电磁干扰信号的时域、频域、能量、信号形式等特 术途径。针对电磁干扰源的仿真建模，从器件级到 性进行测试分析。 根据电磁干扰的传播途径， 通常 设备级 系统级国内外均开展了相关研究 可以利用传导发射测试或辐射发射测试的方式来提 目前对印制电路板(printed circuit board.PCB 取电磁干扰的特征参数。 板的等效建模已成为集成电路电磁兼容预测的重要 依据现行的电磁兼容测试标准，对电磁干扰的 手段。结合近场扫描技术， 文献7]通过推导等效偶 传导发射测试主要采用的是线阻抗稳定网络(in 极子模型，建立了一系列可以产生相同辐射场的无 impedance stabilization network LISN).LISN 穷小偶极子来代替PCB板，以实现对PCB板电磁 试得到的是共模和差干状信号的混合，而无法古 辐射的仿真预测：在考虑PCB板和外壳之间的相 接检测共模和差模干扰信号的具体分量。为此 互作用时，该等效方法还可以被推广应用到偶极子 内外学者在传导电磁干扰分离网络方面进行了大量 平面导电介质模型(dipole-dielectric conducting 研究，先后提出了Mardiguian网络、SEE网络、Pau plane,DDC). 网络、L0网络等分离网络，传导电磁干扰的分 随着混合动力汽车、纯电动汽车等新能源交通 1994-2016 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
1606 高电压技术 2014, 40(6) 电磁兼容是指设备、分系统、系统在共同的电 磁环境中能同时执行各自功能的共存状态。它主要 包括 2 个方面的内容：一是设备、分系统、系统在 预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实 现设计的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生 不可接受的降级；二是设备、分系统、系统在预定 的电磁环境中正常工作且不会给环境(或其他设备) 带来不可接受的电磁干扰。 电磁防护是指为在设计、研制和生产过程中使 设备具有抗电磁干扰或电磁毁伤能力而采取的技术 措施，也包括为消除电磁环境对电爆装置、燃油及 人员影响而采取的技术措施和对策。 综上所述，电磁兼容与电磁防护在内涵和外延 上是一个有机的整体，它们研究的重点都是电磁环 境对设备或系统的作用机理、能量耦合途径等，即 电磁环境效应；目的都是为了保障设备或系统在预 定电磁环境中的生存能力和运行能力。 电磁兼容研究经历了“问题解决法”、“标准控 制法”和“分析预测法(或称系统设计法)”3 个阶段。 系统级和系统间的电磁兼容预测是目前电磁兼容技 术研究的最高阶段，其涵盖的范围非常广泛，但限 于篇幅，无法一一涉及，本文将重点围绕形成电磁 干扰或电磁危害的 3 个基本要素：电磁干扰源、电 磁能量耦合途径和电磁敏感对象，对国内外开展的 相关研究工作进行归纳概述。 1 电磁干扰源的研究 1.1 电磁干扰源测试分析 从电磁环境的构成要素可见，电磁干扰源具有 多种表现形式，为分析电磁干扰(electromagnetic inference, EMI)的形成机理及其抑制措施，一般要对 电磁干扰信号的时域、频域、能量、信号形式等特 性进行测试分析。根据电磁干扰的传播途径，通常 可以利用传导发射测试或辐射发射测试的方式来提 取电磁干扰的特征参数。 依据现行的电磁兼容测试标准，对电磁干扰的 传导发射测试主要采用的是线阻抗稳定网络(line impedance stabilization network, LISN)，但 LISN 测 试得到的是共模和差模干扰信号的混合，而无法直 接检测共模和差模干扰信号的具体分量。为此，国 内外学者在传导电磁干扰分离网络方面进行了大量 研究，先后提出了 Mardiguian 网络、SEE 网络、Paul 网络、Lo 网络等分离网络[1]，传导电磁干扰的分离 精度也得以不断提高。文献[2]还提出了在工作状态 下利用双电流探头对共模和差模噪声源阻抗进行精 确提取的方法。 电磁干扰的辐射发射测试主要利用开阔场、电 波暗室等开展，此类测试方法得到的往往是多个辐 射电磁干扰在测试点处的矢量叠加，即辐射总干扰。 那么在对大型复杂系统进行辐射电磁干扰测试时， 多个子系统辐射产生的电磁干扰就会混叠在一起， 无法准确获得某子系统单独辐射产生的电磁干扰频 谱特征。针对该问题，文献[3]介绍了一种基于自适 应对消原理的辐射电磁干扰测量方法，通过对周围 电磁干扰的自适应滤除可以实现对任一子系统的电 磁干扰测试。此外，为准确描述电磁干扰源特征及 其辐射干扰机理，具有高测量精度和可靠性的近场 扫描技术也被广泛应用，比如文献[4]基于盲源分离 算法和近场波阻抗测试，实现了对辐射电磁干扰源 个数和特性的分析；文献[5]则利用反向传播神经网 络实现了对电磁干扰源的分类识别。 通过电磁干扰测试还可以实现对电磁干扰源 的实时定位，从而有利于对干扰源的快速排查。文 献[6]利用电磁干扰检测器和无线网络组建了2种类 型的 ESD 事件定位系统(ESD event locator system， EELS)，如图 1 所示，用于对硬盘制造车间内存在 的 ESD 事件进行监测。测试结果显示：基于电磁干 扰强度的 EELS 可用于小范围内 ESD 事件的监测， 其在 1.5 m ×1.5 m 范围内的定位误差约为 10.3 cm； 基于接收信号强度指示的 EELS 可用于较大范围内 ESD 事件的监测，其在 10 m×10 m 范围内的定位误 差约为 24 cm。 1.2 电磁干扰源仿真建模 仿真建模是进行电磁兼容分析预测的重要技 术途径。针对电磁干扰源的仿真建模，从器件级到 设备级、系统级国内外均开展了相关研究。 目前对印制电路板(printed circuit board, PCB) 板的等效建模已成为集成电路电磁兼容预测的重要 手段。结合近场扫描技术，文献[7]通过推导等效偶 极子模型，建立了一系列可以产生相同辐射场的无 穷小偶极子来代替 PCB 板，以实现对 PCB 板电磁 辐射的仿真预测；在考虑 PCB 板和外壳之间的相 互作用时，该等效方法还可以被推广应用到偶极子 平面导电介质模型 (dipole-dielectric conducting plane，DDC)。 随着混合动力汽车、纯电动汽车等新能源交通
刘尚合，刘卫东：电磁兼容与电磁防护相关研究进展 1607 工具的加速推 其自身的电磁兼容问题也逐渐) 起人们的重视。其中功率换器就是一个重要的由 V2. 磁干扰源。文献[8]针对功率变换器建立了基于 MI检测器 IGBT模块的等效噪声源模型，并提出了分区域预 4.2 mA IUSE 测其传导电磁干扰的方法，有效解决了此前基于男 数据采 件的物理特性模型和基于开关动作的等效解析模型 EMI检测 在高频段预测精确度不高的问题。而针对汽车整4 系统级的电磁兼容问题，文献9则通过多软件联合 @基于电磁干扰强度的EELS 建模技术实现了对某型汽车整车级天线的电磁辐射 参考节点《 发射仿真建模。 除人为电磁干扰源之外，国内外对SD、雷电 等来自自然环境的电磁干扰源仿真建模也进行了大 量研究。在对ESD现象进行仿真建模时，人们最耳 关注的是ESD电流的数学描述 并先后出现了 参考节 指数函数、Gauss函数等数学措述方式，可以很好 地通近EC标准所规定的接触式ESD放申电流波 形，但这些函数在零时刻的时间导数不为0而 ()基于接收信号强度指示的EELS Guss函数在零时刻的电流也不为0，与物理事实不 图12种类型的ESD事件定位系统 符。为此，我国学者曾先后提出了2脉冲函数和 Fig.1 Two kinds of ESD event locator svstem 多脉冲函数表达式，这些脉冲函数在零时刻的时 间导数为0且时间可积，利用脉冲函数得到的逼近 C ESD电试 波形和标准规定的ESD电流波形之间误差较小。此 外，等效电路、人工神经网络等建模方法在 放电端 SD电流波形仿真中也得到了广泛应用。图2是义 献[12]利用等效电路对ESD模器产牛的ESD电洁 进行仿真建模的结果。图2中，U,是电压源：C, R代表ESD标准模型中的电容和电阻：Cpl 表示寄生电容：R、Lh代表ESD模拟器本身的电 阻和电感：L,表示放电电极的电感：C。、C,分别表 aESD电流等效电路 示ESD模拟器和放电电极的对地电容：X是用 表示ESD模拟器接地线的传输线模型， 在对ESD产生的电磁场进行数学建模时，国外 学者先后提出了长导体、双球电极和偶极子3种经 典模型，其中偶极子模型由于考虑了火花电流产生 的场，比较话合用于远区辐射场计算，得到了广 认可，但其最大缺陷是没有考虑电荷产生的静电场 1020304050607080 无法正确计算近区场的真实时域波形。为此， 本实 验室博士生盛松林等在研究分析PE Wilson偶极了 图2基于等效电路的ESD电流仿真建模 模利4的基础上曾提出一种改讲的偶极子模可 Fig ESD current simulation circu 充分考虑了放电电极上静止电荷产生的静电场 用该模型能够求解从近区到远区整个场域的电磁场 ESD现象进行仿真建模61m,比如文献16]就通过 时空分布。近年来随着计算电磁学的迅程发展，越 察合应用3维全波仿直软件CST和SPICE电路模 来越多的科研人员开始借助计算机模拟技术对 型对二次ESD事件进行 了联合仿真建模与分析 1002016Chi ou al Eleetronie Publishin All right served hup www.cnki.ne
刘尚合，刘卫东：电磁兼容与电磁防护相关研究进展 1607 工具的加速推广，其自身的电磁兼容问题也逐渐引 起人们的重视，其中功率变换器就是一个重要的电 磁干扰源。文献[8]针对功率变换器建立了基于 IGBT 模块的等效噪声源模型，并提出了分区域预 测其传导电磁干扰的方法，有效解决了此前基于器 件的物理特性模型和基于开关动作的等效解析模型 在高频段预测精确度不高的问题。而针对汽车整车 系统级的电磁兼容问题，文献[9]则通过多软件联合 建模技术实现了对某型汽车整车级天线的电磁辐射 发射仿真建模。 除人为电磁干扰源之外，国内外对 ESD、雷电 等来自自然环境的电磁干扰源仿真建模也进行了大 量研究。在对 ESD 现象进行仿真建模时，人们最早 关注的是 ESD 电流的数学描述，并先后出现了 4 指数函数、Gauss 函数等数学描述方式，可以很好 地逼近 IEC 标准所规定的接触式 ESD 放电电流波 形，但这些函数在零时刻的时间导数不为 0 而且 Gauss 函数在零时刻的电流也不为 0，与物理事实不 符。为此，我国学者曾先后提出了 2 脉冲函数[10]和 多脉冲函数表达式[11]，这些脉冲函数在零时刻的时 间导数为 0 且时间可积，利用脉冲函数得到的逼近 波形和标准规定的 ESD 电流波形之间误差较小。此 外，等效电路[12]、人工神经网络[13]等建模方法在 ESD 电流波形仿真中也得到了广泛应用。图 2 是文 献[12]利用等效电路对ESD模拟器产生的ESD电流 进行仿真建模的结果。图 2 中，Us是电压源；Cs、 Rd 代表 ESD 标准模型中的电容和电阻；Cp1、Cp2 表示寄生电容；Rb、Lb 代表 ESD 模拟器本身的电 阻和电感；Lt 表示放电电极的电感；Cg、Ct 分别表 示 ESD 模拟器和放电电极的对地电容；Xg 是用来 表示 ESD 模拟器接地线的传输线模型。 在对 ESD 产生的电磁场进行数学建模时，国外 学者先后提出了长导体、双球电极和偶极子 3 种经 典模型，其中偶极子模型由于考虑了火花电流产生 的场，比较适合用于远区辐射场计算，得到了广泛 认可，但其最大缺陷是没有考虑电荷产生的静电场， 无法正确计算近区场的真实时域波形。为此，本实 验室博士生盛松林等在研究分析 P.F.Wilson 偶极子 模型[14]的基础上曾提出一种改进的偶极子模型[15]， 充分考虑了放电电极上静止电荷产生的静电场，利 用该模型能够求解从近区到远区整个场域的电磁场 时空分布。近年来随着计算电磁学的迅猛发展，越 来越多的科研人员开始借助计算机模拟技术对 图 1 2 种类型的 ESD 事件定位系统 Fig.1 Two kinds of ESD event locator system 图 2 基于等效电路的 ESD 电流仿真建模 Fig.2 ESD current simulation based on equivalent circuit ESD 现象进行仿真建模[16-17]，比如文献[16]就通过 综合应用 3 维全波仿真软件 CST 和 SPICE 电路模 型对二次 ESD 事件进行了联合仿真建模与分析
1608 高电压技术 2014.40(6 与静电放电不同，雷电是一种大范围、高能虽 干扰湖源研究主要建立在电磁干扰测试技术和信号 的电磁干扰源，对雷电回击通道底部电流的合理建 分析与处理技术研究的基础之上，目前阵列测试 模是准确进行雷电电磁场计算的重要基础。国外矿 言源分离、自适应对消等在电磁干扰溯源中已得到 究人员曾先后提出很多描述雷电流的模型函数，其 典型应用。而随着系统级电磁兼容问题的不断凸显 中最为经典的就是1941年提出的双指数模型函 现场电整兼容测量需求的急剧增加，对电磁干扰溯 数1和1985年提出的Heidler模型函数1。但这2 源在“快速性、精准度、智能化”等方面提出了更 种模型函数中，前者的导数在起始时刻不连续， 高要求，这也是今后的一个发展趋势。 物理实际不符：后者不可积，利用该函数计算雷电 2电磁敏感对象的研究 电慰场时效率低、工作量大。为此，本实验宿博士 后张飞舟等曾提出了脉冲函数底部电流模型， 2.1 电磁敏感度仿真建模 综合了上述2种模型的优点又克服了其不利因素， 在预设计阶段对电磁敏感对象的电磁敏感度 为准确、快速计算雷电电磁场的时空分布奠定了基 进行仿真建模和计算分析，是进行电磁兼容分析预 础。文献21-22]利用该电流模型和雷击工程模型 测 一个重要内容 分别计算了地面以上区域垂直通道和斜向通道的 根据图3所示的发展路线图P图中数值表示 电电磁场时空分布。而针对雷电对地下设施和人员 芯片的特征尺寸)，集成电路中的核心部件微处理器 也具有一定的危害性，文献23]利用改进的时域有 和微控制器的处理频率随若时间推移而急剧上升。 限差分法finite difference time domain,FDTD)方法 而随着电子器件须率的急剧增加 电磁兼容仿真建 还计算了雷电电磁脉冲在地下空间的衰减规律和分 模中对模型的高颍性能也提出了更高要求。文献「25] 布特点，为地下设施的电磁防护设计提供了重要 为分析计算MOS型功率晶体管对射频干扰的电磁 参考 敏感度 研究并建立了晶体管的分布参数模型 13电磁干扰源研究展望 实测数据的对比结果表明，该模型相比于现有的集 目前围绕构成电子设备或系统的一些基本组 总参数模型，其适用频率范围更宽、建模精度更高 成单元，如电子器件、PCB板以及电路功能模块等 在集成电路电磁敏感度建模方面， IEC于2008 所进行的电磁干扰源仿真建模研究较多，相关的对 年提出了1个标准化的集成电路抗扰度建模方法 模预测技术也比较成熟。而随着电子系统的集成度 l ICIM(integrated circuit immunity modelingy 和复杂度越来越高，系统级的电磁干扰发射问题日 主要由2部分组成：一部分用于描述电磁干扰和集 益凸显，对其进行建模预测的需求越米越迫切，国 成电路敏感端口之间的耦合关系： 部分用来描 内外对这方面的研究工作也十分关注 集成电路本身的电颼敏感性表现行为。文献27利 对于一个电子系统而言，要想测试它的电磁干 用该建模方法建立了一个锁相环的敏感度模型，该 扰发射水平，依据现有的电磁兼容标准就可以实现 模型由基于S参数提取的无源分布网络模型和基于 但要在预设计阶段，对一个电子系统的电磁发射水 平讲行系统级的律模预，往往就需要获得该系统 102 各组成部分的电磁干扰发射模型， 而由于各子系 或设备的来源往往不同，相关的摸型或数据还需 32n 由相应的设备供应商来提供。因此，如何获取并整 32 nm 合电子系统各组成部分的电磁干扰发射模型将是廷 立系统级电磁干扰发射模型需要面临和解决的 控制器 问题。 对于电磁兼容问题的查和整改，电磁干扰 20H00 2005 源是一个值得关注的有效手段，特别是对于大型的 002015200 复杂系统来说，当有多处电磁干扰源同时存在时， 图32020年前微控制墨和微处理器发展路线图 通过对电磁干扰信号进行分离、分类和定位等， Fig.3 Microprocessor and micro ntroller frequency increas 以为电磁干扰问题的整改提供重要参考依据， 电 994-2016 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
1608 高电压技术 2014, 40(6) 与静电放电不同，雷电是一种大范围、高能量 的电磁干扰源，对雷电回击通道底部电流的合理建 模是准确进行雷电电磁场计算的重要基础。国外研 究人员曾先后提出很多描述雷电流的模型函数，其 中最为经典的就是 1941 年提出的双指数模型函 数[18]和 1985 年提出的 Heidler 模型函数[19]。但这 2 种模型函数中，前者的导数在起始时刻不连续，与 物理实际不符；后者不可积，利用该函数计算雷电 电磁场时效率低、工作量大。为此，本实验室博士 后张飞舟等曾提出了脉冲函数底部电流模型[20]，既 综合了上述 2 种模型的优点又克服了其不利因素， 为准确、快速计算雷电电磁场的时空分布奠定了基 础。文献[21-22]利用该电流模型和雷击工程模型， 分别计算了地面以上区域垂直通道和斜向通道的雷 电电磁场时空分布。而针对雷电对地下设施和人员 也具有一定的危害性，文献[23]利用改进的时域有 限差分法(finite difference time domain, FDTD)方法 还计算了雷电电磁脉冲在地下空间的衰减规律和分 布特点，为地下设施的电磁防护设计提供了重要 参考。 1.3 电磁干扰源研究展望 目前围绕构成电子设备或系统的一些基本组 成单元，如电子器件、PCB 板以及电路功能模块等， 所进行的电磁干扰源仿真建模研究较多，相关的建 模预测技术也比较成熟。而随着电子系统的集成度 和复杂度越来越高，系统级的电磁干扰发射问题日 益凸显，对其进行建模预测的需求越来越迫切，国 内外对这方面的研究工作也十分关注。 对于一个电子系统而言，要想测试它的电磁干 扰发射水平，依据现有的电磁兼容标准就可以实现； 但要在预设计阶段，对一个电子系统的电磁发射水 平进行系统级的建模预测，往往就需要获得该系统 各组成部分的电磁干扰发射模型，而由于各子系统 或设备的来源往往不同，相关的模型或数据还需要 由相应的设备供应商来提供。因此，如何获取并整 合电子系统各组成部分的电磁干扰发射模型将是建 立系统级电磁干扰发射模型需要面临和解决的一个 问题。 对于电磁兼容问题的排查和整改，电磁干扰溯 源是一个值得关注的有效手段，特别是对于大型的 复杂系统来说，当有多处电磁干扰源同时存在时， 通过对电磁干扰信号进行分离、分类和定位等，可 以为电磁干扰问题的整改提供重要参考依据。电磁 干扰溯源研究主要建立在电磁干扰测试技术和信号 分析与处理技术研究的基础之上，目前阵列测试、 盲源分离、自适应对消等在电磁干扰溯源中已得到 典型应用。而随着系统级电磁兼容问题的不断凸显、 现场电磁兼容测量需求的急剧增加，对电磁干扰溯 源在“快速性、精准度、智能化”等方面提出了更 高要求，这也是今后的一个发展趋势。 2 电磁敏感对象的研究 2.1 电磁敏感度仿真建模 在预设计阶段对电磁敏感对象的电磁敏感度 进行仿真建模和计算分析，是进行电磁兼容分析预 测的一个重要内容。 根据图 3 所示的发展路线图[24](图中数值表示 芯片的特征尺寸)，集成电路中的核心部件微处理器 和微控制器的处理频率随着时间推移而急剧上升。 而随着电子器件频率的急剧增加，电磁兼容仿真建 模中对模型的高频性能也提出了更高要求。文献[25] 为分析计算 MOS 型功率晶体管对射频干扰的电磁 敏感度，研究并建立了晶体管的分布参数模型，与 实测数据的对比结果表明，该模型相比于现有的集 总参数模型，其适用频率范围更宽、建模精度更高。 在集成电路电磁敏感度建模方面，IEC 于 2008 年提出了 1 个标准化的集成电路抗扰度建模方法， 即 ICIM(integrated circuit immunity modeling)[26]，它 主要由 2 部分组成：一部分用于描述电磁干扰和集 成电路敏感端口之间的耦合关系；一部分用来描述 集成电路本身的电磁敏感性表现行为。文献[27]利 用该建模方法建立了一个锁相环的敏感度模型，该 模型由基于 S 参数提取的无源分布网络模型和基于 图 3 2020 年前微控制器和微处理器发展路线图 Fig.3 Microprocessor and microcontroller frequency increase until 2020
刘尚合，刘卫东：电磁兼容与电磁防护相关研究进展 1609 晶体管的SPICE模型共同组成。与实测数据的对比 系环境规范 系统性能需求 结果显示，该模型在1GH2菊用内以对铺相环的 电磁敏感度问题进行准确的分析预测。此外，电磁 系统预设计 拓扑理论网、错误源切换概念(eror-source ng,ESS)等在集成电路的电磁敏感度建模方面世 电援PCB板和廊件箱体 得到了应用 为了对设备或系统的电磁敏感度问题进行分 部件、分系统的电整干扰简化模型 析预测，文献30]提出了一种基于接收机简化 阿 olterra级数模型求解敏感度圆值的电磁敏感度行 分系统的解析分析/数值计算 为级仿真建模方法，并利用该方法实现了对某双 GPS接收机的电磁敏感度分析。文献3]则通过绮 系统集成设计 合应用解析分析方法和数值计算方法，提出了一种 可用于系统级传导和辐射抗扰度分析的快速求解与 设计 建模方法，其流程图如图4所示。 22电磁敏感度实验测试 电磁兼容设计的实验验证 根据被对象的不同司。由襟铺成府实验测武可 以在静电感度、射频感度 半导体器件敏感度以 满是电磁兼容要求？ 设备或系统级电磁敏感度、抗扰度等方面进行。 对电子设备进行ESD抗扰度实验是电酸兼容 性强制认证的 项重要规定和重要环节。针对ES 抗扰度实验测试，国际电工委员会(EC)和有关国豸 图4系统级电磁抗扰度建模分析流程 先后都制定了ESD抗扰度实验方法和实验标准。但 Fig.4 System structure for integrated electromagneti 在实际应用中发现此类标准目前还存在一些问题 munity modeling 待修订完善，比如ESD模拟器对实验测试结果影响 较大、无法给出定量的实验结果以及没能对空气式 射频干扰下申爆装置的电磁敏成性讲行联合仿直分 ESD抗扰度实验方法给出详细规定等。为此，本 析，并结合Monte-Carlo方法进行数据分析，对射 实验室科研团队通过分析现有ESD抗扰度标准有 频干扰下电爆装置的电磁安全性进行了预测评估 在的缺路和问题，提出了新的ESD抗扰度实脸方 对于电磁敏感对象来说，如果它没有通过相关 法，研制了新型ESD抗扰度实验平台，提高了ESD 电磁兼容标准所规定的电陵敏成度实验测试，就需 抗扰度测试结果的科学性与可靠性训。 要对其进行电磁兼容性整政 直至其满足相关标准 目前根据电磁兼容标准所进行的电磁敏感度 要求为止。对电磁敏感对象进行电磁兼容性整改的 实验测试，主要针对的是用频电子设备或系统。对 目的是要降低敏感对象对电磁干扰的电磁敏感性， 于电火工品等电起爆装置以及燃油等易燃易爆危险 比如对于 个设备或系统而言，通常采取屏蔽 品来说，它们在电磁环境中也存在电磁安全性隐患 波、接地等技术措施，这些技术措施通常都在电 也需要进行电磁敏感度测试，但此类测试并没有包 防护技术范味之内。但加前所述，电火工品等电起 含在现有的电磁兼容标准中，而是另有标准规定 爆装置、燃油等易燃易爆危险品并不在电磁兼容范 本实验室在研究ESD对电火工品安全性影响的过 围内，那么此类产品即便存在电碰安全性隐患， 程中，曾提出了电火工品的真实静电感度测试方法 无法从电磁兼容的角度提出整改要求，而只能从电 并确定了名种电火工品的直实静电成彦和危险静由 磁防护的角度对其进行防护加固。由此可见，相比 源对其放电的安全电位阀值。 文献35]利用分布 于电磁兼容 电磁防护的适用对象范围更 负载有界波电磁脉冲模拟器对某桥丝式电火工品进 23电磁敏感对象研究展望 行了辐射实验研究，得到了电火工品的电磁脉冲效 随若电磁环境越来越复杂 电磁干扰覆盖的 应敏感度。 文献36]利用电破模型和热力学模型对 率范围越来越宽，建立准确、 宽带的系统级电磁敏 1002016 o al Eleetronic Publishing House All right hup enki.ne
刘尚合，刘卫东：电磁兼容与电磁防护相关研究进展 1609 晶体管的 SPICE 模型共同组成。与实测数据的对比 结果显示，该模型在 1 GHz 范围内可以对锁相环的 电磁敏感度问题进行准确的分析预测。此外，电磁 拓扑理论[28]、错误源切换概念(error-source switching，ESS)[29]等在集成电路的电磁敏感度建模方面也 得到了应用。 为了对设备或系统的电磁敏感度问题进行分 析预测，文献[30]提出了一种基于接收机简化 Volterra 级数模型求解敏感度阈值的电磁敏感度行 为级仿真建模方法，并利用该方法实现了对某双频 GPS 接收机的电磁敏感度分析。文献[31]则通过综 合应用解析分析方法和数值计算方法，提出了一种 可用于系统级传导和辐射抗扰度分析的快速求解与 建模方法，其流程图如图 4 所示。 2.2 电磁敏感度实验测试 根据被测对象的不同，电磁敏感度实验测试可 以在静电感度、射频感度、半导体器件敏感度以及 设备或系统级电磁敏感度、抗扰度等方面进行。 对电子设备进行 ESD 抗扰度实验是电磁兼容 性强制认证的一项重要规定和重要环节。针对 ESD 抗扰度实验测试，国际电工委员会(IEC)和有关国家 先后都制定了 ESD 抗扰度实验方法和实验标准。但 在实际应用中发现此类标准目前还存在一些问题亟 待修订完善，比如 ESD 模拟器对实验测试结果影响 较大、无法给出定量的实验结果以及没能对空气式 ESD 抗扰度实验方法给出详细规定等[32]。为此，本 实验室科研团队通过分析现有 ESD 抗扰度标准存 在的缺陷和问题，提出了新的 ESD 抗扰度实验方 法，研制了新型 ESD 抗扰度实验平台，提高了 ESD 抗扰度测试结果的科学性与可靠性[33-34]。 目前根据电磁兼容标准所进行的电磁敏感度 实验测试，主要针对的是用频电子设备或系统。对 于电火工品等电起爆装置以及燃油等易燃易爆危险 品来说，它们在电磁环境中也存在电磁安全性隐患， 也需要进行电磁敏感度测试，但此类测试并没有包 含在现有的电磁兼容标准中，而是另有标准规定。 本实验室在研究 ESD 对电火工品安全性影响的过 程中，曾提出了电火工品的真实静电感度测试方法， 并确定了多种电火工品的真实静电感度和危险静电 源对其放电的安全电位阈值。文献[35]利用分布式 负载有界波电磁脉冲模拟器对某桥丝式电火工品进 行了辐射实验研究，得到了电火工品的电磁脉冲效 应敏感度。文献[36]利用电磁模型和热力学模型对 图 4 系统级电磁抗扰度建模分析流程[31] Fig.4 System structure for integrated electromagnetic immunity modeling 射频干扰下电爆装置的电磁敏感性进行联合仿真分 析，并结合 Monte-Carlo 方法进行数据分析，对射 频干扰下电爆装置的电磁安全性进行了预测评估。 对于电磁敏感对象来说，如果它没有通过相关 电磁兼容标准所规定的电磁敏感度实验测试，就需 要对其进行电磁兼容性整改，直至其满足相关标准 要求为止。对电磁敏感对象进行电磁兼容性整改的 目的是要降低敏感对象对电磁干扰的电磁敏感性， 比如对于一个设备或系统而言，通常采取屏蔽、滤 波、接地等技术措施，这些技术措施通常都在电磁 防护技术范畴之内。但如前所述，电火工品等电起 爆装置、燃油等易燃易爆危险品并不在电磁兼容范 围内，那么此类产品即便存在电磁安全性隐患，也 无法从电磁兼容的角度提出整改要求，而只能从电 磁防护的角度对其进行防护加固。由此可见，相比 于电磁兼容，电磁防护的适用对象范围更广。 2.3 电磁敏感对象研究展望 随着电磁环境越来越复杂，电磁干扰覆盖的频 率范围越来越宽，建立准确、宽带的系统级电磁敏