EMP和HEMP滤波器技术保护电子系统免受IEMI和EMI的危害

近一个世纪以来，已经知道电磁威胁，并且在一定程度上已经理解。尽管如此，仅在过去的几十年中，政府和军事组织才意识到有意/无意的电磁干扰（IEMI / UEMI）对关键设施，基础设施，航空航天和陆地移动电子系统构成威胁的程度。 。大多数国家的电力基础设施和公用事业已被确定为易受破坏和使用IEMI的故意破坏，这些系统的威胁多年来一直是一个已知的实体。什么是新兴的未知数据，可能同样具有破坏性，是对全球银行，运输，数据中心和数据中心和互联网系统的新威胁。
随着人们越来越依赖电气系统来提高效率，减少支出，加快流程和提高利润，IEMI，甚至UEMI和自然EMI在现代社会的各个层面上的威胁都在增长。此外，最新的电子产品采用低功耗IC和其他敏感的有源和无源器件构建，其经济性取决于小型化，功耗降低和功能集成。不幸的是，很少有非政府组织或军事组织认识到这种威胁，并且很少有人采取行动确保其许多其他组织和个人所依赖的基本系统对IEMI或EMI一般都很强大。
 
       尽管普遍存在盲目性，但仍有少数组织正在研究和开发技术，以保护关键和敏感电子系统免受IEMI和EMI的危害。大多数先前的努力都是保护建筑物和电子设备机架，现在可以使用新型EMI滤波器，电磁脉冲/高空电磁脉冲（EMP / HEMP）或IEMI滤波器。EMP / HEMP过滤器旨在保护IEMI的特定电气组件或子组件，并确保这些易受影响的电气系统不仅受益于生存能力，还能有效抑制有害EMI。

       电子威胁概述

       术语EMI广泛适用于降低或破坏电气设备所需性能的任何不需要的信号。EMI可以进一步细分为三类，有意的，无意的和自然的，所有这些都可能对电子产品具有破坏性。天然和非故意的EMI可以通过天然产生的来源产生，例如由天气模式引起的地磁风暴以及地球电磁层与太空天气（太阳日冕物质抛射）的相互作用，或者由一些计划不周/设计或损坏的电子系统。由于几个EMI发生器的影响可以累积，即使几个相对较弱的EMI发生器如果靠近EMI敏感系统也可能造成危险。

       自然和无意的EMI超出了这项工作的范围。然而，保护IEMI电子器件的方法也可以提供一些自然和无意EMI源的保护。

       IEMI的潜在威胁很难衡量，因为恶意甚至无知的各方可能产生可能以各种方式影响不同电气系统的EMI。IEMI对电气系统构成风险，随着对EM武器的使用变得越来越容易而增加。有几个国家，即俄罗斯和中国，正在积极开发EM武器，旨在禁用受保护的电气系统和基础设施。尽管核武器在其直接爆炸半径范围内具有足够的破坏性，但核爆炸的EMP组成部分也可能在比核爆炸影响范围更广的区域内对电子设备造成破坏。

甚至在太空引爆的核武器也会发出严重的破坏性辐射，称为HEMP，甚至可能影响地面电气系统，飞机和车辆。这就是为什么核EMP被用作制定标准和EMP保护系统的基础。核EMP / HEMP威胁被国际电工委员会（IEC）分类为E1，E2和E3组件，并具有1 MHz至300 MHz的主要能量分布。每个组件分类都附有生成的EMI类型的说明以及如何防范它的指导原则。
 

E1组件

       核EMP的E1脉冲或短脉冲成分是由于来自核爆炸的伽马辐射的巨大初始激增，电子从高层大气中的原子射出的结果。这些高度加速的电子与地球磁场相互作用的产物，杂散电子主要在大的受影响区域上指向地球。E1脉冲作为非常强烈但持续时间短的相对论速度电子的爆炸，其能够与导体相互作用并在这些导体中产生高电压。这些电压很容易超过导体和连接的电子元件，器件和互连的电击穿电压。

通常，E1脉冲对于传统的防雷保护来说太短暂无效，并且只有能够响应极快上升时间脉冲的瞬态保护能够减轻E1 EMP。E1脉冲的典型上升时间为20纳秒，在500纳秒内达到其峰值的50％，并且根据IEC的定义，完全在1微秒内发生。E1脉冲的临界频率范围介于1 MHz和300 MHz之间。E1脉冲的电场强度峰值约为每米50,000V，峰值功率密度达到每平方米6.6兆瓦。根据各种因素，从E1脉冲感应到电气系统的峰值电流可能达到2500A。

       E2组件

       核武器的E2或中间脉冲组件有点类似于附近雷击产生的脉冲，尽管核打击的E2组件比雷击产生的功率更小。当核武器发射中子然后散射伽马射线并从非弹性散射产生辐射时，产生E2脉冲。根据IEC的定义，E2脉冲在最初的EMP爆炸后1微秒后开始，并延伸到爆炸后的一秒钟。

       E2脉冲可以达到250A的峰值电流，并且包含比E1脉冲更多的能量，E1脉冲在更长的时间范围内扩散。来自E2脉冲的EM辐射的频率也远低于E1脉冲，低至20kHz，并且对于小于200米的小孔和电导体呈现更高的衰减和更低的穿透能力。通常认为E2脉冲可以受到当前防雷电路的保护，并受到保护。
 

然而，这种保护并不一定能消除威胁，因为雷电保护和其他电路保护可能会被E1脉冲损坏，或者没有时间恢复并充分防止E2脉冲。此外，E2脉冲的影响区域不会与直接雷击的小区域相隔离，并且更像是附近的雷击如何耦合到电气系统中。

       E3组件

       与E1和E2组件相比，E3或长时间组件是一个相对较慢的脉冲，可以持续数十到数百秒。E3脉冲是由地球磁场的恢复产生的，以响应核打击的高能量扰动。E3波形有两个子组件，即E3a和E3b，分别称为爆炸波和升沉波。已经将E3脉冲行为与强地磁暴的影响进行了比较，例如来自太阳日冕物质抛射（CME）的影响。与地磁风暴类似，E3组件可在长导体中引发潜在的大电流。

感应E3电流的强度与导体的长度有关，并且可能导致电力线电缆和设备的损坏和破坏。与E1和E2组件不同，E3脉冲在导体中产生的能量更类似于准DC脉冲，这对于不能处理高DC负载的AC电网系统尤其有害。这些影响可能会导致无功功率消耗增加和系统未对准谐波干扰，同时达到1000A的峰值电流。此外，即使在长的地下电缆和电力线中，E3脉冲也能够感应电流。

       EMP / HEMP过滤器的基本要求

       大多数EMP / HEMP保护研究以及EMP / HEMP分类和标准的基础都是基于上个世纪中期进行的研究。这些研究是在主要采用微处理器，个人和商业/工业电气控制和传感之前进行的。当时主要关注的是电网的维护。现在，来自飞机，汽车，交通信号灯，办公楼安全系统甚至家庭的每个设备或系统都被电子控制和监控，作为这些系统运行动态的重要组成部分。因此，当前对现代社会的威胁远远大于严重停电，社会和经济复苏时间估计从几个月到十几年不等。

       这迫使需要能够保护这些较小的关键系统的设备，而不仅仅是在设施级别，而是在设备或组件级别。对于没有大量电导体的电子系统，主要关注的是E1和E2脉冲，其标准是针对大型机架式和基于外壳的电子设备而开发的。因此，IEMI滤波器的出现增强了EMP / HEMP应用，可以集成到几乎任何关键电子系统的设计中。

       有几个标准，主要是政府，军方和最近的IEC，它们提供了如何设计建筑物，电气基础设施和设备的规范，以抵御已知的IEMI威胁，主要是核电磁脉冲（EMP），特别是高空核EMP。美国和英国的主要军事和政府设施和设备标准是MIL-STD-188-125-1 / MIL-STD-188-125-2和DEF-STAN-59-188-1 / DEF-STAN -59-188-2，分别。

       两个军用HEMP标准的第1部分涵盖了对整个设施的保护，其中两个标准的第2部分涵盖了对可移动和移动系统的保护。两个标准的第一部分的重点包括用户终端，数据处理中心，发送和接收通信站，中继设施，以及否则执行关键，时间紧急命令，控制，通信，计算机和情报（C4I）任务的设施。

两个标准的第2部分同样适用于HEMP硬化，关键和时间紧急的C4I网络的可移动地面系统。MIL-STD-188-125-2和DEF-STAN-59-188-2描述了这些系统的低风险，HEMP硬化设计和测试标准。重要的一点是，这些标准考虑了与相关要求的集成，并认识到HEMP保护还可以满足发射安全性，TEMPEST，EMI /电磁兼容性（EMC），防雷和其他强化要求的标准。MIL-STD-188-125-2中的具体声明是，对于由可单独的可移动子系统组成的可移动系统，还必须使用EM屏障进行保护，该屏障由HEMP屏蔽和所有入口点的保护设备组成（POE） ）。这包括EMP / HEMP过滤器。DEF-STAN-59-188第2部分遵循与MIL-STD-125-188-2类似的过程。适用于HEMP的其他美国军用标准包括MIL-STD-464A，MIL-STD-461D / E / F和MIL-STD-2169，其中有分类和非分类组件。

       虽然非常彻底，但这些军事标准并不是最适合保护商业和工业电子系统的标准，因为许多这些标准的基础都假定其他军事和政府保护，指导方针和结构。

       这就是为什么IEC，特别是IEC分委员会77C，制定了保护民用系统免受HEMP和IEMI保护的标准。自1999年以来，IEC SC 77C的范围已扩展到包括所有高功率电磁（HPEM）威胁，包括IEMI。IEC标准涵盖EMP，HEMP和IEMI威胁缓解的定义，方法和应用。这些标准包括环境描述，测试和测量技术，以及安装和减轻IEMI的指南。以前，许多HEMP和IEMI过滤器都使用了各种军用标准，IEC民用系统HEMP和IEMI标准有助于建立一致且可重复的方法来确定IEMI和HEMP缓解技术的性能。
       
       军事标准做出了若干假设，其要求基于这些假设。这包括假设受威胁的电气设备在所需保护之外没有免疫力。因此，任何HEMP / IEMI保护都必须完全考虑必要的缓解措施。对于某些民用应用而言并非如此，并且已经要求的EMC标准导致对至少某种程度的抗扰度的要求。此外，军事标准旨在防止任何中断，许多民用系统可能能够承受一定程度的中断，只要它们在HEMP / IEMI事件后恢复。因此，维护某些民用设备的IEC标准可能是HEMP / IEMI过滤器性能的更具成本效益的指导。这当然是
IEC保护严重性等级（IEC 61000-4-24）适用于各种设备和应用，从等效范围扩展到MIL-STD-188-125-1和DEF-STAN-59-188-1，再到不太关键的民用系统。严重等级3，相当于军事和国防标准，适用于最关键的基础设施系统，其中2级设计用于不太关键的基础设施，1级适用于不太重要或具有高水平的内在免疫力。IEC 61000-4-24标准提供了有关传导脉冲的HEMP / IEMI滤波器残余脉冲性能的建议，并未对辐射脉冲屏蔽要求进行定义或说明。

       对于新建筑的严重等级1/2和3，HEMP / IEMI滤波器衰减在1 MHz至1 GHz频率范围内满足的合理目标值为60 dB和80 dB。对于较旧的建筑物和严重等级1/2，40 dB的衰减可能就足够了。IEC 61000-4-24还为每个严重性级别提供峰值剩余电流水平建议。对于具有2Ω标称负载的250 VAC HEMP电力线滤波器，用于1,2和3级严重等级，进入负载的峰值允许剩余电流分别为353 A，50 A和10 A.

       EMP / HEMP过滤器应用程序

       与几乎所有电子性能要求的情况一样，设备的必要行为完全取决于应用程序。许多新兴应用，例如自动驾驶/电动车辆，飞机内的无线子系统连接，物联网（IoT）和工业4.0系统，可能依赖于持续连接并成为现代社会的关键系统。目前，许多金融，商业，消费者，公共安全和应急响应系统依赖于或者显着增强了数据和网络基础设施，这些基础设施可能容易受到HEMP / IEMI威胁的攻击。

       此外，医疗基础设施和医疗设备也出现了这些趋势，医生和护士更多地依赖医疗电子和通信系统。这包括住院患者监测系统和救护车，以及家庭监测，移动和护理系统。

虽然所有这些应用程序也伴随着相关的EMC标准，通常基于系统故障的感知影响，但典型的EMC标准可能不足以防范HEMP / IEMI威胁。EMC标准主要设计用于在一定程度上防止干扰，而不是为了生存和抑制HPEM脉冲和瞬态到持续运行。大多数EMC标准主要关注非预期的干扰，并不考虑恶意方的IEMI。例如，数据中心设备不太可能基于EMC标准受到公司破坏，恐怖主义或被大范围EMP陷入附近公用事业目标的交火。

因此，目前许多民用系统容易受到HEMP / IEMI的影响，其中一些可能是新出现的，并且通常不考虑HEMP / IEMI保护的新应用。这可能包括运输和乘客的运输，新的小卫星空间和地面设备，重新用于关键应用的工业和商业电子设备，以及可再生能源系统。许多远程设施依靠可再生能源和现场发电来运营，以及卫星和电信，其中包括民用航海/海事系统。
反对利用额外的HEMP / IEMI保护的许多论点都是无知，对成本的担忧，缺乏熟悉的采购渠道，以及对知识渊博和可靠的专家的有限访问。越来越多的国际意识和对HEMP / IEMI威胁的关注正在迅速消除许多这些反对意见，军用级和定制设计HEMP / IEMI过滤器的新来源正在变得可用。凭借高度紧凑的设计和装配技术，HEMP / IEMI滤波器还可以做得小而轻，足以在航空航天和商用飞机应用中实现。

       个人和社会对民用电子和通信基础设施的依赖性增加也可能增加新商业和工业电子系统失效造成的生命和财产损失威胁。特别容易受到屏蔽不充分暴露的最新IC和低功率电子器件以及依赖它们的新兴技术的影响。其中许多系统可以受益于额外的保护，特别是HEMP / IEMI滤波器，这也有助于提高EMC辐射和抗扰度。随着新威胁不断出现以及新的支持技术，利用HEMP / IEMI过滤器是保护数字时代当前和未来投资的实用方法。