電磁屏蔽技術在微電子設備雷電防護中的應用

　　摘要 本文旨在結合電磁屏蔽效能測量技術探討各防雷區域內微電子設備采用的屏蔽措施。對室外的微電子設備增加雷電防護區。對大尺寸屏蔽空間內的微電子設備，除了采用外部屏蔽措施外，還需要根據設備的屏蔽效能要求增設局部屏蔽措施。設備的位置需根據距離曲線合理布置，同時對微電子設備連接線路采用屏蔽措施。同一微電子設備的所有屏蔽層均應該進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 發表時間：2021-08-02

　　關鍵詞 電磁屏蔽;效能測試;雷電防護

　　在微電子設備雷電防護方面，人們往往比較注重直擊雷、過電壓、過電流、電位差和靜電等方面的防護，而忽視了雷電在對地放電過程中帶來的電磁影響。直擊雷防護就是通過接閃和分流入地的方式實現，使微電子設備不會處于LPZ0A區。過電壓和過電流是通過在線路中加入電源SPD或信號SPD 實現防雷保護，但由于每一次閃電強度無法估量， SPD的加入往往不能達到理想效果，同時，由于信號 SPD與設備是串聯的，在進行防雷保護的同時還會帶來插入損耗，影響電子設備的功能。

　　1 屏蔽效能測試

　　屏蔽效能的測試一般指模擬信號源置于屏蔽室外時，接收裝置在室外和室內接收的電場強度、磁場強度或功率之比。電磁屏蔽效率計算公式為： SH = 20 lg H1 H2 ，SH = 20 lg E1 E2 ，SH = 20 lg P1 P2 公式中的 H1、E1和P1分別為在無屏蔽室條件下磁場強度、電場強度和場功率，H2、E2和P2分別為在屏蔽室內條件下的磁場強度、電場強度和場功率。對同一作信號源，把信號接收機安裝在建筑物外和內部，用于測量E1、E2強度，再利用SE = 20 lg E1 E2 來計算建筑屏蔽效能值。屏蔽效能值與屏蔽材料電導率、磁導率和屏蔽體結構方式、場源頻率和性質等很多因素有著直接聯系，在進行防雷工程設計時可以采用該計算方式來進行微電子設備的空間布局。

　　2 不同防雷區域的電磁屏蔽設計

　　2.1 在LPZ0B區的微電子設備電磁屏蔽設計

　　當微電子設備處于室外時，一般會安裝直擊雷保護裝置，使微電子設備處于LPZ0B區，此時微電子設備不會遭受直接雷擊，但雷擊電磁脈沖電磁場無任何衰減。此時雷擊瞬變電磁場對微電子設備將造成干擾和破壞。

　　在室外的微電子設備應改增加防雷保護區域，采用帶金屬外殼的微電子設備可視為在 LPZ1 區內，當要求較高或金屬外殼達不到理想效果時，可另外增設屏蔽層，如將設備安裝在金屬盒內，此時電子元器件可視為在LPZ2區內。在增設防雷保護區后需要將每一屏蔽層做等電位連接，同時需要進行良好接地，接地電阻不大于 1Ω。微電子設備連接線路的屏蔽層與設備屏蔽層應該進行電氣連接，如果連接線路穿金屬管，金屬管最好與設備屏蔽層進行無縫連接。

　　2.2 大空間屏蔽層內微電子設備的電磁屏蔽設計

　　當微電子設備位于室內時，由于直擊雷保護裝置和建筑物外墻的作用，微電子設備最少都處于 LPZ1區內，此時只是需要做好建筑外墻屏蔽措施的設計安裝。磚混結構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金屬網格，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、鋁合金門窗、玻璃幕墻支架、建筑物的梁、柱和基礎連接成統一的導電系統，形成全屏蔽的法拉第籠式防雷系統。

　　在實際工作中，通過對具有良好外部屏蔽措施的室內空間進行屏蔽效能測試，發現防雷保護區域越高，屏蔽效能越大，因此微電子設備應該安裝在建筑物底層中間部位。結合微電子設備場所的防雷保護安全等級和屏蔽要求，當所選位置不滿屏蔽要求時，可采用局部屏蔽措施。設置內部屏蔽室，將屏蔽室墻板采用金屬墻板，并進行多點接地后，能有效提高屏蔽效能。

　　當微電子設備場所直擊雷防護裝置成功引雷后，在引下線周圍也會存在瞬變電磁場，這就要求設備與防雷專用引下線間有可靠的安全距離。根據SE = 20 lg E1 E2 ，利用接收機在建筑物屋面測得E1 后，將接收機置于微電子設備場所內，調整接收機與防雷引下線位置，每1m測量一次作為E2，可以測量出衰減量與引下線的距離曲線，根據曲線可以很好的設計設備在屏蔽空間的合理位置。

　　2.3 連接線路電磁屏蔽設計

　　微電子設備的連接線路必須做好屏蔽措施，不同用途、不同材質和不同敷設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傳輸線纜，由于光纖不導電，固光纜不需要做屏蔽措施，但需要將光纜內加強芯在微電子場所防雷分區處與屏蔽層做好等電位連接。

　　非屏蔽電纜作為電源線時，在入戶前應穿鋼管埋地敷設，埋地長度應符合ι ≥ 2 ρ，式中ι為埋地長度，ρ為土壤電阻率，但金屬鋼管的埋地長度不應小于15m。金屬鋼管在雷電防護區交界處作等電位連接并接地，同時電纜在埋地處應安裝電源SPD作限壓處理。非屏蔽線纜作為信號傳輸線路時，應全線穿金屬管埋地敷設，在金屬管兩端與雷電保護區屏蔽層作等電位連接并接地，根據電流在金屬材質中的趨膚效應，此時為了不影響信號的傳輸，可不安裝信號SPD。

　　屏蔽線纜的屏蔽層可承受設計的雷電荷載時，可不穿金屬管敷設，但需要將金屬屏蔽層在防雷保護區臨界處與其他屏蔽層作等電位連接并接地，當線纜屏蔽層不能承受設計的雷電荷載時需要另外穿金屬管敷設。

　　3 結論

　　微電子設備在不同的雷電保護區域時，需要采用不同的屏蔽措施，在室外時，需要增加雷電防護區以達到更好的屏蔽效果。當微電子設備在大尺寸屏蔽空間內時，需要將設備置于高雷電防護區內，根據設備的屏蔽效能要求增設局部屏蔽措施，并將各防雷保護區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。利用屏蔽效能測試公司 SE = 20 lg E1 E2 計算設備與防雷引下線的距離，根據距離曲線合理布置設備的位置。微電子設備連接線路的屏蔽措施也至關重要，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，因為連接線路屏蔽層一端接地只能起靜電屏蔽的作用。

　　微電子設備的防雷工程是一項綜合性工程，而非采用某一項單一的保護措施，當安裝直擊雷防護裝置后，防雷引下線在發揮功效時，在其周圍有很強的瞬變電磁場，此時如果沒有屏蔽措施，這變化的空間電磁場將對微電子設備造成干擾甚至破壞。屏蔽是減少雷電干擾的基本措施，是劃分不同防雷區的基本特征，在實際工作中，做好屏蔽措施能夠減少信號SPD的使用，在充分發揮電子設備功能的同時也能保障電子設備的防雷安全。