EMP和HEMP濾波器技術(shù)保護(hù)電子系統(tǒng)免受IEMI和EMI的危害

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，已經(jīng)知道電磁威脅，并且在一定程度上已經(jīng)理解。盡管如此，僅在過(guò)去的幾十年中，政府和軍事組織才意識(shí)到有意/無(wú)意的電磁干擾（IEMI / UEMI）對(duì)關(guān)鍵設(shè)施，基礎(chǔ)設(shè)施，航空航天和陸地移動(dòng)電子系統(tǒng)構(gòu)成威脅的程度。 。大多數(shù)國(guó)家的電力基礎(chǔ)設(shè)施和公用事業(yè)已被確定為易受破壞和使用IEMI的故意破壞，這些系統(tǒng)的威脅多年來(lái)一直是一個(gè)已知的實(shí)體。什么是新興的未知數(shù)據(jù)，可能同樣具有破壞性，是對(duì)全球銀行，運(yùn)輸，數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)中心和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新威脅。
隨著人們?cè)絹?lái)越依賴電氣系統(tǒng)來(lái)提高效率，減少支出，加快流程和提高利潤(rùn)，IEMI，甚至UEMI和自然EMI在現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)層面上的威脅都在增長(zhǎng)。此外，最新的電子產(chǎn)品采用低功耗IC和其他敏感的有源和無(wú)源器件構(gòu)建，其經(jīng)濟(jì)性取決于小型化，功耗降低和功能集成。不幸的是，很少有非政府組織或軍事組織認(rèn)識(shí)到這種威脅，并且很少有人采取行動(dòng)確保其許多其他組織和個(gè)人所依賴的基本系統(tǒng)對(duì)IEMI或EMI一般都很強(qiáng)大。
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? ? ? ?盡管普遍存在盲目性，但仍有少數(shù)組織正在研究和開發(fā)技術(shù)，以保護(hù)關(guān)鍵和敏感電子系統(tǒng)免受IEMI和EMI的危害。大多數(shù)先前的努力都是保護(hù)建筑物和電子設(shè)備機(jī)架，現(xiàn)在可以使用新型EMI濾波器，電磁脈沖/高空電磁脈沖（EMP / HEMP）或IEMI濾波器。EMP / HEMP過(guò)濾器旨在保護(hù)IEMI的特定電氣組件或子組件，并確保這些易受影響的電氣系統(tǒng)不僅受益于生存能力，還能有效抑制有害EMI。

? ? ? ?電子威脅概述

? ? ? ?術(shù)語(yǔ)EMI廣泛適用于降低或破壞電氣設(shè)備所需性能的任何不需要的信號(hào)。EMI可以進(jìn)一步細(xì)分為三類，有意的，無(wú)意的和自然的，所有這些都可能對(duì)電子產(chǎn)品具有破壞性。天然和非故意的EMI可以通過(guò)天然產(chǎn)生的來(lái)源產(chǎn)生，例如由天氣模式引起的地磁風(fēng)暴以及地球電磁層與太空天氣（太陽(yáng)日冕物質(zhì)拋射）的相互作用，或者由一些計(jì)劃不周/設(shè)計(jì)或損壞的電子系統(tǒng)。由于幾個(gè)EMI發(fā)生器的影響可以累積，即使幾個(gè)相對(duì)較弱的EMI發(fā)生器如果靠近EMI敏感系統(tǒng)也可能造成危險(xiǎn)。

? ? ? ?自然和無(wú)意的EMI超出了這項(xiàng)工作的范圍。然而，保護(hù)IEMI電子器件的方法也可以提供一些自然和無(wú)意EMI源的保護(hù)。

? ? ? ?IEMI的潛在威脅很難衡量，因?yàn)閻阂馍踔翢o(wú)知的各方可能產(chǎn)生可能以各種方式影響不同電氣系統(tǒng)的EMI。IEMI對(duì)電氣系統(tǒng)構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，隨著對(duì)EM武器的使用變得越來(lái)越容易而增加。有幾個(gè)國(guó)家，即俄羅斯和中國(guó)，正在積極開發(fā)EM武器，旨在禁用受保護(hù)的電氣系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施。盡管核武器在其直接爆炸半徑范圍內(nèi)具有足夠的破壞性，但核爆炸的EMP組成部分也可能在比核爆炸影響范圍更廣的區(qū)域內(nèi)對(duì)電子設(shè)備造成破壞。

甚至在太空引爆的核武器也會(huì)發(fā)出嚴(yán)重的破壞性輻射，稱為HEMP，甚至可能影響地面電氣系統(tǒng)，飛機(jī)和車輛。這就是為什么核EMP被用作制定標(biāo)準(zhǔn)和EMP保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。核EMP / HEMP威脅被國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）分類為E1，E2和E3組件，并具有1 MHz至300 MHz的主要能量分布。每個(gè)組件分類都附有生成的EMI類型的說(shuō)明以及如何防范它的指導(dǎo)原則。
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E1組件

? ? ? ?核EMP的E1脈沖或短脈沖成分是由于來(lái)自核爆炸的伽馬輻射的巨大初始激增，電子從高層大氣中的原子射出的結(jié)果。這些高度加速的電子與地球磁場(chǎng)相互作用的產(chǎn)物，雜散電子主要在大的受影響區(qū)域上指向地球。E1脈沖作為非常強(qiáng)烈但持續(xù)時(shí)間短的相對(duì)論速度電子的爆炸，其能夠與導(dǎo)體相互作用并在這些導(dǎo)體中產(chǎn)生高電壓。這些電壓很容易超過(guò)導(dǎo)體和連接的電子元件，器件和互連的電擊穿電壓。

通常，E1脈沖對(duì)于傳統(tǒng)的防雷保護(hù)來(lái)說(shuō)太短暫無(wú)效，并且只有能夠響應(yīng)極快上升時(shí)間脈沖的瞬態(tài)保護(hù)能夠減輕E1 EMP。E1脈沖的典型上升時(shí)間為20納秒，在500納秒內(nèi)達(dá)到其峰值的50％，并且根據(jù)IEC的定義，完全在1微秒內(nèi)發(fā)生。E1脈沖的臨界頻率范圍介于1 MHz和300 MHz之間。E1脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度峰值約為每米50,000V，峰值功率密度達(dá)到每平方米6.6兆瓦。根據(jù)各種因素，從E1脈沖感應(yīng)到電氣系統(tǒng)的峰值電流可能達(dá)到2500A。

? ? ? ?E2組件

? ? ? ?核武器的E2或中間脈沖組件有點(diǎn)類似于附近雷擊產(chǎn)生的脈沖，盡管核打擊的E2組件比雷擊產(chǎn)生的功率更小。當(dāng)核武器發(fā)射中子然后散射伽馬射線并從非彈性散射產(chǎn)生輻射時(shí)，產(chǎn)生E2脈沖。根據(jù)IEC的定義，E2脈沖在最初的EMP爆炸后1微秒后開始，并延伸到爆炸后的一秒鐘。

? ? ? ?E2脈沖可以達(dá)到250A的峰值電流，并且包含比E1脈沖更多的能量，E1脈沖在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)擴(kuò)散。來(lái)自E2脈沖的EM輻射的頻率也遠(yuǎn)低于E1脈沖，低至20kHz，并且對(duì)于小于200米的小孔和電導(dǎo)體呈現(xiàn)更高的衰減和更低的穿透能力。通常認(rèn)為E2脈沖可以受到當(dāng)前防雷電路的保護(hù)，并受到保護(hù)。
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然而，這種保護(hù)并不一定能消除威脅，因?yàn)槔纂姳Ｗo(hù)和其他電路保護(hù)可能會(huì)被E1脈沖損壞，或者沒有時(shí)間恢復(fù)并充分防止E2脈沖。此外，E2脈沖的影響區(qū)域不會(huì)與直接雷擊的小區(qū)域相隔離，并且更像是附近的雷擊如何耦合到電氣系統(tǒng)中。

? ? ? ?E3組件

? ? ? ?與E1和E2組件相比，E3或長(zhǎng)時(shí)間組件是一個(gè)相對(duì)較慢的脈沖，可以持續(xù)數(shù)十到數(shù)百秒。E3脈沖是由地球磁場(chǎng)的恢復(fù)產(chǎn)生的，以響應(yīng)核打擊的高能量擾動(dòng)。E3波形有兩個(gè)子組件，即E3a和E3b，分別稱為爆炸波和升沉波。已經(jīng)將E3脈沖行為與強(qiáng)地磁暴的影響進(jìn)行了比較，例如來(lái)自太陽(yáng)日冕物質(zhì)拋射（CME）的影響。與地磁風(fēng)暴類似，E3組件可在長(zhǎng)導(dǎo)體中引發(fā)潛在的大電流。

感應(yīng)E3電流的強(qiáng)度與導(dǎo)體的長(zhǎng)度有關(guān)，并且可能導(dǎo)致電力線電纜和設(shè)備的損壞和破壞。與E1和E2組件不同，E3脈沖在導(dǎo)體中產(chǎn)生的能量更類似于準(zhǔn)DC脈沖，這對(duì)于不能處理高DC負(fù)載的AC電網(wǎng)系統(tǒng)尤其有害。這些影響可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率消耗增加和系統(tǒng)未對(duì)準(zhǔn)諧波干擾，同時(shí)達(dá)到1000A的峰值電流。此外，即使在長(zhǎng)的地下電纜和電力線中，E3脈沖也能夠感應(yīng)電流。

? ? ? ?EMP / HEMP過(guò)濾器的基本要求

? ? ? ?大多數(shù)EMP / HEMP保護(hù)研究以及EMP / HEMP分類和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)都是基于上個(gè)世紀(jì)中期進(jìn)行的研究。這些研究是在主要采用微處理器，個(gè)人和商業(yè)/工業(yè)電氣控制和傳感之前進(jìn)行的。當(dāng)時(shí)主要關(guān)注的是電網(wǎng)的維護(hù)?，F(xiàn)在，來(lái)自飛機(jī)，汽車，交通信號(hào)燈，辦公樓安全系統(tǒng)甚至家庭的每個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)都被電子控制和監(jiān)控，作為這些系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)的重要組成部分。因此，當(dāng)前對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的威脅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于嚴(yán)重停電，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇時(shí)間估計(jì)從幾個(gè)月到十幾年不等。

? ? ? ?這迫使需要能夠保護(hù)這些較小的關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)備，而不僅僅是在設(shè)施級(jí)別，而是在設(shè)備或組件級(jí)別。對(duì)于沒有大量電導(dǎo)體的電子系統(tǒng)，主要關(guān)注的是E1和E2脈沖，其標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)大型機(jī)架式和基于外殼的電子設(shè)備而開發(fā)的。因此，IEMI濾波器的出現(xiàn)增強(qiáng)了EMP / HEMP應(yīng)用，可以集成到幾乎任何關(guān)鍵電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

? ? ? ?有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，主要是政府，軍方和最近的IEC，它們提供了如何設(shè)計(jì)建筑物，電氣基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的規(guī)范，以抵御已知的IEMI威脅，主要是核電磁脈沖（EMP），特別是高空核EMP。美國(guó)和英國(guó)的主要軍事和政府設(shè)施和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)是MIL-STD-188-125-1 / MIL-STD-188-125-2和DEF-STAN-59-188-1 / DEF-STAN -59-188-2，分別。

? ? ? ?兩個(gè)軍用HEMP標(biāo)準(zhǔn)的第1部分涵蓋了對(duì)整個(gè)設(shè)施的保護(hù)，其中兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的第2部分涵蓋了對(duì)可移動(dòng)和移動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的第一部分的重點(diǎn)包括用戶終端，數(shù)據(jù)處理中心，發(fā)送和接收通信站，中繼設(shè)施，以及否則執(zhí)行關(guān)鍵，時(shí)間緊急命令，控制，通信，計(jì)算機(jī)和情報(bào)（C4I）任務(wù)的設(shè)施。

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的第2部分同樣適用于HEMP硬化，關(guān)鍵和時(shí)間緊急的C4I網(wǎng)絡(luò)的可移動(dòng)地面系統(tǒng)。MIL-STD-188-125-2和DEF-STAN-59-188-2描述了這些系統(tǒng)的低風(fēng)險(xiǎn)，HEMP硬化設(shè)計(jì)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。重要的一點(diǎn)是，這些標(biāo)準(zhǔn)考慮了與相關(guān)要求的集成，并認(rèn)識(shí)到HEMP保護(hù)還可以滿足發(fā)射安全性，TEMPEST，EMI /電磁兼容性（EMC），防雷和其他強(qiáng)化要求的標(biāo)準(zhǔn)。MIL-STD-188-125-2中的具體聲明是，對(duì)于由可單獨(dú)的可移動(dòng)子系統(tǒng)組成的可移動(dòng)系統(tǒng)，還必須使用EM屏障進(jìn)行保護(hù)，該屏障由HEMP屏蔽和所有入口點(diǎn)的保護(hù)設(shè)備組成（POE） ）。這包括EMP / HEMP過(guò)濾器。DEF-STAN-59-188第2部分遵循與MIL-STD-125-188-2類似的過(guò)程。適用于HEMP的其他美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)包括MIL-STD-464A，MIL-STD-461D / E / F和MIL-STD-2169，其中有分類和非分類組件。

? ? ? ?雖然非常徹底，但這些軍事標(biāo)準(zhǔn)并不是最適合保護(hù)商業(yè)和工業(yè)電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵S多這些標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)都假定其他軍事和政府保護(hù)，指導(dǎo)方針和結(jié)構(gòu)。

? ? ? ?這就是為什么IEC，特別是IEC分委員會(huì)77C，制定了保護(hù)民用系統(tǒng)免受HEMP和IEMI保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。自1999年以來(lái)，IEC SC 77C的范圍已擴(kuò)展到包括所有高功率電磁（HPEM）威脅，包括IEMI。IEC標(biāo)準(zhǔn)涵蓋EMP，HEMP和IEMI威脅緩解的定義，方法和應(yīng)用。這些標(biāo)準(zhǔn)包括環(huán)境描述，測(cè)試和測(cè)量技術(shù)，以及安裝和減輕IEMI的指南。以前，許多HEMP和IEMI過(guò)濾器都使用了各種軍用標(biāo)準(zhǔn)，IEC民用系統(tǒng)HEMP和IEMI標(biāo)準(zhǔn)有助于建立一致且可重復(fù)的方法來(lái)確定IEMI和HEMP緩解技術(shù)的性能。
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? ? ? ?軍事標(biāo)準(zhǔn)做出了若干假設(shè)，其要求基于這些假設(shè)。這包括假設(shè)受威脅的電氣設(shè)備在所需保護(hù)之外沒有免疫力。因此，任何HEMP / IEMI保護(hù)都必須完全考慮必要的緩解措施。對(duì)于某些民用應(yīng)用而言并非如此，并且已經(jīng)要求的EMC標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致對(duì)至少某種程度的抗擾度的要求。此外，軍事標(biāo)準(zhǔn)旨在防止任何中斷，許多民用系統(tǒng)可能能夠承受一定程度的中斷，只要它們?cè)贖EMP / IEMI事件后恢復(fù)。因此，維護(hù)某些民用設(shè)備的IEC標(biāo)準(zhǔn)可能是HEMP / IEMI過(guò)濾器性能的更具成本效益的指導(dǎo)。這當(dāng)然是
IEC保護(hù)嚴(yán)重性等級(jí)（IEC 61000-4-24）適用于各種設(shè)備和應(yīng)用，從等效范圍擴(kuò)展到MIL-STD-188-125-1和DEF-STAN-59-188-1，再到不太關(guān)鍵的民用系統(tǒng)。嚴(yán)重等級(jí)3，相當(dāng)于軍事和國(guó)防標(biāo)準(zhǔn)，適用于最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，其中2級(jí)設(shè)計(jì)用于不太關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，1級(jí)適用于不太重要或具有高水平的內(nèi)在免疫力。IEC 61000-4-24標(biāo)準(zhǔn)提供了有關(guān)傳導(dǎo)脈沖的HEMP / IEMI濾波器殘余脈沖性能的建議，并未對(duì)輻射脈沖屏蔽要求進(jìn)行定義或說(shuō)明。

? ? ? ?對(duì)于新建筑的嚴(yán)重等級(jí)1/2和3，HEMP / IEMI濾波器衰減在1 MHz至1 GHz頻率范圍內(nèi)滿足的合理目標(biāo)值為60 dB和80 dB。對(duì)于較舊的建筑物和嚴(yán)重等級(jí)1/2，40 dB的衰減可能就足夠了。IEC 61000-4-24還為每個(gè)嚴(yán)重性級(jí)別提供峰值剩余電流水平建議。對(duì)于具有2Ω標(biāo)稱負(fù)載的250 VAC HEMP電力線濾波器，用于1,2和3級(jí)嚴(yán)重等級(jí)，進(jìn)入負(fù)載的峰值允許剩余電流分別為353 A，50 A和10 A.

? ? ? ?EMP / HEMP過(guò)濾器應(yīng)用程序

? ? ? ?與幾乎所有電子性能要求的情況一樣，設(shè)備的必要行為完全取決于應(yīng)用程序。許多新興應(yīng)用，例如自動(dòng)駕駛/電動(dòng)車輛，飛機(jī)內(nèi)的無(wú)線子系統(tǒng)連接，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)4.0系統(tǒng)，可能依賴于持續(xù)連接并成為現(xiàn)代社會(huì)的關(guān)鍵系統(tǒng)。目前，許多金融，商業(yè)，消費(fèi)者，公共安全和應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)依賴于或者顯著增強(qiáng)了數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，這些基礎(chǔ)設(shè)施可能容易受到HEMP / IEMI威脅的攻擊。

? ? ? ?此外，醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施和醫(yī)療設(shè)備也出現(xiàn)了這些趨勢(shì)，醫(yī)生和護(hù)士更多地依賴醫(yī)療電子和通信系統(tǒng)。這包括住院患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和救護(hù)車，以及家庭監(jiān)測(cè)，移動(dòng)和護(hù)理系統(tǒng)。

雖然所有這些應(yīng)用程序也伴隨著相關(guān)的EMC標(biāo)準(zhǔn)，通常基于系統(tǒng)故障的感知影響，但典型的EMC標(biāo)準(zhǔn)可能不足以防范HEMP / IEMI威脅。EMC標(biāo)準(zhǔn)主要設(shè)計(jì)用于在一定程度上防止干擾，而不是為了生存和抑制HPEM脈沖和瞬態(tài)到持續(xù)運(yùn)行。大多數(shù)EMC標(biāo)準(zhǔn)主要關(guān)注非預(yù)期的干擾，并不考慮惡意方的IEMI。例如，數(shù)據(jù)中心設(shè)備不太可能基于EMC標(biāo)準(zhǔn)受到公司破壞，恐怖主義或被大范圍EMP陷入附近公用事業(yè)目標(biāo)的交火。

因此，目前許多民用系統(tǒng)容易受到HEMP / IEMI的影響，其中一些可能是新出現(xiàn)的，并且通常不考慮HEMP / IEMI保護(hù)的新應(yīng)用。這可能包括運(yùn)輸和乘客的運(yùn)輸，新的小衛(wèi)星空間和地面設(shè)備，重新用于關(guān)鍵應(yīng)用的工業(yè)和商業(yè)電子設(shè)備，以及可再生能源系統(tǒng)。許多遠(yuǎn)程設(shè)施依靠可再生能源和現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電來(lái)運(yùn)營(yíng)，以及衛(wèi)星和電信，其中包括民用航海/海事系統(tǒng)。
反對(duì)利用額外的HEMP / IEMI保護(hù)的許多論點(diǎn)都是無(wú)知，對(duì)成本的擔(dān)憂，缺乏熟悉的采購(gòu)渠道，以及對(duì)知識(shí)淵博和可靠的專家的有限訪問。越來(lái)越多的國(guó)際意識(shí)和對(duì)HEMP / IEMI威脅的關(guān)注正在迅速消除許多這些反對(duì)意見，軍用級(jí)和定制設(shè)計(jì)HEMP / IEMI過(guò)濾器的新來(lái)源正在變得可用。憑借高度緊湊的設(shè)計(jì)和裝配技術(shù)，HEMP / IEMI濾波器還可以做得小而輕，足以在航空航天和商用飛機(jī)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。

? ? ? ?個(gè)人和社會(huì)對(duì)民用電子和通信基礎(chǔ)設(shè)施的依賴性增加也可能增加新商業(yè)和工業(yè)電子系統(tǒng)失效造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失威脅。特別容易受到屏蔽不充分暴露的最新IC和低功率電子器件以及依賴它們的新興技術(shù)的影響。其中許多系統(tǒng)可以受益于額外的保護(hù)，特別是HEMP / IEMI濾波器，這也有助于提高EMC輻射和抗擾度。隨著新威脅不斷出現(xiàn)以及新的支持技術(shù)，利用HEMP / IEMI過(guò)濾器是保護(hù)數(shù)字時(shí)代當(dāng)前和未來(lái)投資的實(shí)用方法。