IP Camera LAN Port ESD/Lightning保护方案及应用

电子通信产品在设计之初，就要事先考虑因ESD/Lightning引发损坏电子元器件的问题。由于从设计到终端客户手中，通常会执行静电放电（ESD）和雷击（Lightning）验证，Lightning可能对芯片造成严重破坏，从而会给厂商带来比较大的损失。因而，研发人员的设计对Lightning的等防护设计需要更加重视。

在一些学校、银行特殊场所，为了保证所在环境师生的安全、记录金融系统的实时画面，绝大多数都会安装IPC（IP Camera）设备。IPC是结合传统摄像机与网络技术所产生的新一代摄像机，它可以将影像通过Internet传到某一位置的远端设备，且远端用户在不需要其它软件的情况下，通过网络浏览器即可实时监控其影音；授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作和系统配置。IPC产品如果因ESD或Lightning的设计不佳，不仅影响设备生产企业的产品合格率，而且也造成终端客户的使用感受，这些问题直接影响产品在市场的品牌形象和地位，所以ESD和Lightning防护设计是电子产品设计中不忽视的环节。 

一、ESD会带来哪些危害

摩尔于上世纪60年代发表的杂志中提出，随着时间的推进半导体芯片上所集成的晶体管的数量以指数增长；我们所见的产品演变过程是最好的例子，比如电脑从台式机演变成笔记本型电脑，手持大哥大也演变成6英寸的智能手机终端，不仅是个头上的差异，而且功能和产品性能不知提升了多少；受益于先进的光刻设备带动芯片制造行业，厂家可以在同等大小的晶圆上设计更多的晶体管。IC制程越先进，意味着晶体管极间的距离越小，当然受ESD的抗扰度也会越弱。当设备受到外界ESD脉冲的干扰，如果进入敏感电路则会引起设备出现信息读取错误造成电路故障。 

二、现有ESD防护方案中的不足

目前现有的ESD防护设计方案中，也存在其它不足。除了ESD的防护设计，也要注意EOS（Electrical Over Stress 电气过应力）；为了便于接线，室外IPC设备大多通过POE供电，其网络和电源一同铺设在网线槽中；户外设备除了自然界的雷击（Lightning）会造成EOS，市电的波动所形成EOS也会对设备产生影响。ESD和EOS的测试标准分别对应IEC61000-4-2和IEC61000-4-5,相较于ESD的测试波形，EOS测试波形具有持续时间长、破坏能力强的特点（图1），所以在同样电压条件下EOS对芯片的损坏更为严重，再者IPC设备大多数存在于户外，这也是为什么IPC设计会模拟雷击浪涌测试的原因。
 

图1. ESD和EOS差异

三、LAN 口ESD和Lightning的防护

在IPC产品中LAN为常用性外设接口，选用TVS器件需要了解Lightning参数IPP (Peak Pulse Current) (tp=8/20ms)。针对RJ45二次侧的TVS应用，晶焱科技推出了AZ1513-04S针对Line-GND共模抑制方案，该产品为为SOT23-6L封装，集成了4路的IO和1路电源的保护，同时具有ESD和EOS低钳位电压特点（图3）；针对Line-Line 差模抑制方案，推出了SOT23-6L封装产品AZ1603-02S，在PCB Layout时轻松匹配差分对的阻抗。10/100/1000M网络的信号传输测试过程中，同样对TVS器件的寄生电容要求极高，AZ1513-04S和AZ1603-02S超低寄生电容参数如附表1，兼顾不同IPC设备与主机间长缆线通信对于寄生容值的冗余要求。
 

图2. LAN口防护方案

 

图3. AZ1513-04S 浪涌和TLP测试

LAN口的防雷击设计对PCB 布局要求非常高，除了满足网络变压器一次侧与二次侧间的间距要求、差分对阻抗要求，在TVS的PCB Layout需要注意信号线走向先要经过TVS，且线路越短越好，这样，当外界的ESD和EOS突波来临时能更快速启动TVS，以达到泄放电流的目的。 总结，通常IPC产品在网络变压器一次侧会安装大电流的防雷击器件，但存在钳位电压太高的问题，其中一部分能量通过初级与次级的分布电容耦合到后级电路，从而造成产品损坏；当差分线间形成差模电压时，能量是会通过网络变压器的初级线圈耦合到次级，如不通过TVS泄放多余电流，会造成PHY芯片的损坏，网络变压器二次侧的防护显得更为重要。目前可以看到IPC厂商常规测试标准有±6kV CM（共模测试电压） / ±3.5kV DM（差模测试电压），模拟雷击实验以满足产品在特定场所抵抗雷击能力，降低环境因素造成的产品故，从而节约维修成本且更好的维护品牌口碑。

 

Parts No.	Package	Capacitance(pF)	Vrwm(V)	Channel	Vcl_ESD@8kV(V)	Vcl_EOS@Ipp(V)	Ipp(A)
AZ1513-04S	SOT23-6L	2	3.3	4	7.5	10	30
AZ1603-02S	SOT23-6L	0.9	3.3	4	10	11	18

 

审核编辑 黄昊宇

附表1