电磁屏蔽技术在微电子设备雷电防护中的应用

　　摘要 本文旨在结合电磁屏蔽效能测量技术探讨各防雷区域内微电子设备采用的屏蔽措施。对室外的微电子设备增加雷电防护区。对大尺寸屏蔽空间内的微电子设备，除了采用外部屏蔽措施外，还需要根据设备的屏蔽效能要求增设局部屏蔽措施。设备的位置需根据距离曲线合理布置，同时对微电子设备连接线路采用屏蔽措施。同一微电子设备的所有屏蔽层均应该进行等电位连接并接地。

　　郭军成; 麴春; 杨舜弗; 高钰涛， 石河子科技 发表时间：2021-08-02

　　关键词 电磁屏蔽;效能测试;雷电防护

　　在微电子设备雷电防护方面，人们往往比较注重直击雷、过电压、过电流、电位差和静电等方面的防护，而忽视了雷电在对地放电过程中带来的电磁影响。直击雷防护就是通过接闪和分流入地的方式实现，使微电子设备不会处于LPZ0A区。过电压和过电流是通过在线路中加入电源SPD或信号SPD 实现防雷保护，但由于每一次闪电强度无法估量， SPD的加入往往不能达到理想效果，同时，由于信号 SPD与设备是串联的，在进行防雷保护的同时还会带来插入损耗，影响电子设备的功能。

　　1 屏蔽效能测试

　　屏蔽效能的测试一般指模拟信号源置于屏蔽室外时，接收装置在室外和室内接收的电场强度、磁场强度或功率之比。电磁屏蔽效率计算公式为： SH = 20 lg H1 H2 ，SH = 20 lg E1 E2 ，SH = 20 lg P1 P2 公式中的 H1、E1和P1分别为在无屏蔽室条件下磁场强度、电场强度和场功率，H2、E2和P2分别为在屏蔽室内条件下的磁场强度、电场强度和场功率。对同一作信号源，把信号接收机安装在建筑物外和内部，用于测量E1、E2强度，再利用SE = 20 lg E1 E2 来计算建筑屏蔽效能值。屏蔽效能值与屏蔽材料电导率、磁导率和屏蔽体结构方式、场源频率和性质等很多因素有着直接联系，在进行防雷工程设计时可以采用该计算方式来进行微电子设备的空间布局。

　　2 不同防雷区域的电磁屏蔽设计

　　2.1 在LPZ0B区的微电子设备电磁屏蔽设计

　　当微电子设备处于室外时，一般会安装直击雷保护装置，使微电子设备处于LPZ0B区，此时微电子设备不会遭受直接雷击，但雷击电磁脉冲电磁场无任何衰减。此时雷击瞬变电磁场对微电子设备将造成干扰和破坏。

　　在室外的微电子设备应改增加防雷保护区域，采用带金属外壳的微电子设备可视为在 LPZ1 区内，当要求较高或金属外壳达不到理想效果时，可另外增设屏蔽层，如将设备安装在金属盒内，此时电子元器件可视为在LPZ2区内。在增设防雷保护区后需要将每一屏蔽层做等电位连接，同时需要进行良好接地，接地电阻不大于 1Ω。微电子设备连接线路的屏蔽层与设备屏蔽层应该进行电气连接，如果连接线路穿金属管，金属管最好与设备屏蔽层进行无缝连接。

　　2.2 大空间屏蔽层内微电子设备的电磁屏蔽设计

　　当微电子设备位于室内时，由于直击雷保护装置和建筑物外墙的作用，微电子设备最少都处于 LPZ1区内，此时只是需要做好建筑外墙屏蔽措施的设计安装。砖混结构的外墙也具有屏蔽功能，但不能满足要求，需要在外墙上另外敷设金属网格，而钢筋混凝土墙体本生就具有良好的屏蔽效果。将金属外墙、铝合金门窗、玻璃幕墙支架、建筑物的梁、柱和基础连接成统一的导电系统，形成全屏蔽的法拉第笼式防雷系统。

　　在实际工作中，通过对具有良好外部屏蔽措施的室内空间进行屏蔽效能测试，发现防雷保护区域越高，屏蔽效能越大，因此微电子设备应该安装在建筑物底层中间部位。结合微电子设备场所的防雷保护安全等级和屏蔽要求，当所选位置不满屏蔽要求时，可采用局部屏蔽措施。设置内部屏蔽室，将屏蔽室墙板采用金属墙板，并进行多点接地后，能有效提高屏蔽效能。

　　当微电子设备场所直击雷防护装置成功引雷后，在引下线周围也会存在瞬变电磁场，这就要求设备与防雷专用引下线间有可靠的安全距离。根据SE = 20 lg E1 E2 ，利用接收机在建筑物屋面测得E1 后，将接收机置于微电子设备场所内，调整接收机与防雷引下线位置，每1m测量一次作为E2，可以测量出衰减量与引下线的距离曲线，根据曲线可以很好的设计设备在屏蔽空间的合理位置。

　　2.3 连接线路电磁屏蔽设计

　　微电子设备的连接线路必须做好屏蔽措施，不同用途、不同材质和不同敷设方式的线缆需采用不同的屏蔽措施。

　　光缆是常用的一种信号传输线缆，由于光纤不导电，固光缆不需要做屏蔽措施，但需要将光缆内加强芯在微电子场所防雷分区处与屏蔽层做好等电位连接。

　　非屏蔽电缆作为电源线时，在入户前应穿钢管埋地敷设，埋地长度应符合ι ≥ 2 ρ，式中ι为埋地长度，ρ为土壤电阻率，但金属钢管的埋地长度不应小于15m。金属钢管在雷电防护区交界处作等电位连接并接地，同时电缆在埋地处应安装电源SPD作限压处理。非屏蔽线缆作为信号传输线路时，应全线穿金属管埋地敷设，在金属管两端与雷电保护区屏蔽层作等电位连接并接地，根据电流在金属材质中的趋肤效应，此时为了不影响信号的传输，可不安装信号SPD。

　　屏蔽线缆的屏蔽层可承受设计的雷电荷载时，可不穿金属管敷设，但需要将金属屏蔽层在防雷保护区临界处与其他屏蔽层作等电位连接并接地，当线缆屏蔽层不能承受设计的雷电荷载时需要另外穿金属管敷设。

　　3 结论

　　微电子设备在不同的雷电保护区域时，需要采用不同的屏蔽措施，在室外时，需要增加雷电防护区以达到更好的屏蔽效果。当微电子设备在大尺寸屏蔽空间内时，需要将设备置于高雷电防护区内，根据设备的屏蔽效能要求增设局部屏蔽措施，并将各防雷保护区屏蔽层做好等电位连接并接地，形成法拉第笼式的屏蔽空间。利用屏蔽效能测试公司 SE = 20 lg E1 E2 计算设备与防雷引下线的距离，根据距离曲线合理布置设备的位置。微电子设备连接线路的屏蔽措施也至关重要，连接线路屏蔽层两端必须与其他屏蔽层作等电位连接并接地，因为连接线路屏蔽层一端接地只能起静电屏蔽的作用。

　　微电子设备的防雷工程是一项综合性工程，而非采用某一项单一的保护措施，当安装直击雷防护装置后，防雷引下线在发挥功效时，在其周围有很强的瞬变电磁场，此时如果没有屏蔽措施，这变化的空间电磁场将对微电子设备造成干扰甚至破坏。屏蔽是减少雷电干扰的基本措施，是划分不同防雷区的基本特征，在实际工作中，做好屏蔽措施能够减少信号SPD的使用，在充分发挥电子设备功能的同时也能保障电子设备的防雷安全。