IP Camera LAN Port ESD/Lightning保護(hù)方案及應(yīng)用

電子通信產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初，就要事先考慮因ESD/Lightning引發(fā)損壞電子元器件的問題。由于從設(shè)計(jì)到終端客戶手中，通常會(huì)執(zhí)行靜電放電（ESD）和雷擊（Lightning）驗(yàn)證，Lightning可能對(duì)芯片造成嚴(yán)重破壞，從而會(huì)給廠商帶來比較大的損失。因而，研發(fā)人員的設(shè)計(jì)對(duì)Lightning的等防護(hù)設(shè)計(jì)需要更加重視。

在一些學(xué)校、銀行特殊場(chǎng)所，為了保證所在環(huán)境師生的安全、記錄金融系統(tǒng)的實(shí)時(shí)畫面，絕大多數(shù)都會(huì)安裝IPC（IP Camera）設(shè)備。IPC是結(jié)合傳統(tǒng)攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所產(chǎn)生的新一代攝像機(jī)，它可以將影像通過Internet傳到某一位置的遠(yuǎn)端設(shè)備，且遠(yuǎn)端用戶在不需要其它軟件的情況下，通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可實(shí)時(shí)監(jiān)控其影音；授權(quán)用戶還可以控制攝像機(jī)云臺(tái)鏡頭的動(dòng)作和系統(tǒng)配置。IPC產(chǎn)品如果因ESD或Lightning的設(shè)計(jì)不佳，不僅影響設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品合格率，而且也造成終端客戶的使用感受，這些問題直接影響產(chǎn)品在市場(chǎng)的品牌形象和地位，所以ESD和Lightning防護(hù)設(shè)計(jì)是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不忽視的環(huán)節(jié)。

一、ESD會(huì)帶來哪些危害

摩爾于上世紀(jì)60年代發(fā)表的雜志中提出，隨著時(shí)間的推進(jìn)半導(dǎo)體芯片上所集成的晶體管的數(shù)量以指數(shù)增長；我們所見的產(chǎn)品演變過程是最好的例子，比如電腦從臺(tái)式機(jī)演變成筆記本型電腦，手持大哥大也演變成6英寸的智能手機(jī)終端，不僅是個(gè)頭上的差異，而且功能和產(chǎn)品性能不知提升了多少；受益于先進(jìn)的光刻設(shè)備帶動(dòng)芯片制造行業(yè)，廠家可以在同等大小的晶圓上設(shè)計(jì)更多的晶體管。IC制程越先進(jìn)，意味著晶體管極間的距離越小，當(dāng)然受ESD的抗擾度也會(huì)越弱。當(dāng)設(shè)備受到外界ESD脈沖的干擾，如果進(jìn)入敏感電路則會(huì)引起設(shè)備出現(xiàn)信息讀取錯(cuò)誤造成電路故障。

二、現(xiàn)有ESD防護(hù)方案中的不足

目前現(xiàn)有的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)方案中，也存在其它不足。除了ESD的防護(hù)設(shè)計(jì)，也要注意EOS（Electrical Over Stress 電氣過應(yīng)力）；為了便于接線，室外IPC設(shè)備大多通過POE供電，其網(wǎng)絡(luò)和電源一同鋪設(shè)在網(wǎng)線槽中；戶外設(shè)備除了自然界的雷擊（Lightning）會(huì)造成EOS，市電的波動(dòng)所形成EOS也會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響。ESD和EOS的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)應(yīng)IEC61000-4-2和IEC61000-4-5,相較于ESD的測(cè)試波形，EOS測(cè)試波形具有持續(xù)時(shí)間長、破壞能力強(qiáng)的特點(diǎn)（圖1），所以在同樣電壓條件下EOS對(duì)芯片的損壞更為嚴(yán)重，再者IPC設(shè)備大多數(shù)存在于戶外，這也是為什么IPC設(shè)計(jì)會(huì)模擬雷擊浪涌測(cè)試的原因。

圖1. ESD和EOS差異

三、LAN 口ESD和Lightning的防護(hù)

在IPC產(chǎn)品中LAN為常用性外設(shè)接口，選用TVS器件需要了解Lightning參數(shù)IPP (Peak Pulse Current) (tp=8/20ms)。針對(duì)RJ45二次側(cè)的TVS應(yīng)用，晶焱科技推出了AZ1513-04S針對(duì)Line-GND共模抑制方案，該產(chǎn)品為為SOT23-6L封裝，集成了4路的IO和1路電源的保護(hù)，同時(shí)具有ESD和EOS低鉗位電壓特點(diǎn)（圖3）；針對(duì)Line-Line 差模抑制方案，推出了SOT23-6L封裝產(chǎn)品AZ1603-02S，在PCB Layout時(shí)輕松匹配差分對(duì)的阻抗。10/100/1000M網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸測(cè)試過程中，同樣對(duì)TVS器件的寄生電容要求極高，AZ1513-04S和AZ1603-02S超低寄生電容參數(shù)如附表1，兼顧不同IPC設(shè)備與主機(jī)間長纜線通信對(duì)于寄生容值的冗余要求。

圖2. LAN口防護(hù)方案

圖3. AZ1513-04S 浪涌和TLP測(cè)試

LAN口的防雷擊設(shè)計(jì)對(duì)PCB 布局要求非常高，除了滿足網(wǎng)絡(luò)變壓器一次側(cè)與二次側(cè)間的間距要求、差分對(duì)阻抗要求，在TVS的PCB Layout需要注意信號(hào)線走向先要經(jīng)過TVS，且線路越短越好，這樣，當(dāng)外界的ESD和EOS突波來臨時(shí)能更快速啟動(dòng)TVS，以達(dá)到泄放電流的目的。 總結(jié)，通常IPC產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)變壓器一次側(cè)會(huì)安裝大電流的防雷擊器件，但存在鉗位電壓太高的問題，其中一部分能量通過初級(jí)與次級(jí)的分布電容耦合到后級(jí)電路，從而造成產(chǎn)品損壞；當(dāng)差分線間形成差模電壓時(shí)，能量是會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)變壓器的初級(jí)線圈耦合到次級(jí)，如不通過TVS泄放多余電流，會(huì)造成PHY芯片的損壞，網(wǎng)絡(luò)變壓器二次側(cè)的防護(hù)顯得更為重要。目前可以看到IPC廠商常規(guī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有±6kV CM（共模測(cè)試電壓） / ±3.5kV DM（差模測(cè)試電壓），模擬雷擊實(shí)驗(yàn)以滿足產(chǎn)品在特定場(chǎng)所抵抗雷擊能力，降低環(huán)境因素造成的產(chǎn)品故，從而節(jié)約維修成本且更好的維護(hù)品牌口碑。

審核編輯黃昊宇

附表1