Решение для защиты порта локальной сети IP-камеры от электростатического разряда и молнии.

Возможность повреждения электронных элементов и компонентов в следствие воздействия электростатического разряда или молнии необходимо учитывать уже на начальных этапах проектирования изделия, а проверка устойчивости к электростатическому разряду (ESD) и молнии должна быть произведена еще до передачи пользователям. Молния может привести к серьезному повреждению схем и, следовательно, к крупным убыткам.

Для записи изображения в режиме реального времени широкое распространение получили IP-камеры, устанавливаемые в общественных и образовательных местах, местах критических инфраструктур и большого потока населения. IP-камера является камерой нового поколения, сочетающей в себе традиционную камеру и сетевую технологию. Изображения передаются на удаленное оборудование, расположенное за пределами объекта, через интернет, что позволяет удаленному пользователю просматривать аудио- и видеопоток в режиме реального времени с помощью онлайн-браузера без необходимости использования какого-либо специализированного программного обеспечения. Авторизованный пользователь может управлять действиями и конфигурацией системы панорамирования/наклона объектива IP-камеры. Некачественная проработка дизайна какой-либо IP-камеры в части защиты от электростатического разряда или молнии ставит под угрозу не только её применимость производителем оборудования, но и снижает доверие конечных пользователей к надежности этого продукта. Подобные проблемы оказывают прямое влияние на имидж и статус продукта на рынке. Поэтому защита от электростатического разряда и молнии является неотъемлемой частью дизайна электронных изделий.

1. Какие угрозы может нести электростатический разряд.

Мур упомянул в статье, опубликованной в журнале в 1960-х годах, что количество транзисторов, встроенных в полупроводник, со временем будет расти экспоненциально; эволюция, которую мы наблюдаем в продуктах, является этому прекрасным примером. Например, компьютеры превратились из настольной версии в ноутбуки, а громоздкие портативные мобильные телефоны превратились в смартфоны с 6-дюймовым дисплеем. Разница заключается не только в размерах, но и в функциональности и производительности продуктов. Благодаря передовым литографским машинам, которые обеспечивают развитие производства микросхем, производители получают возможность проектировать все больше транзисторов на пластинах того же размера. Чем более продвинутым является процесс изготовления микросхем, тем ближе транзисторы расположены друг к другу, и тем более уязвимы микросхемы к электростатическому разряду. Поскольку часть оборудования подвергается воздействию внешних импульсов электростатического разряда, то это может привести к ошибкам считывания информации или неисправностям непосредственно электронной схемы при попадании импульсов в чувствительные цепи.

2. Чего не хватает в существующих решениях защиты от электростатического разряда.

Есть вещи, которые существующие решения защиты от электростатического разряда не могут сделать. Помимо непосредственно защиты от электростатического разряда отдельного внимания требует проблема электрического перенапряжения (EOS, Electrical Over-Stress). Наружные IP-камеры для удобства подключения обычно питаются через POE, когда сетевые и силовые линии совмещены в одном кабеле. При наружной установке оборудование неминуемо подвергается воздействию электрического перенапряжения, возникающего в результате естественных молний, а также колебаниям мощности питающей электросети. Стандартами испытаний для ESD и EOS являются IEC61000-4-2 и IEC61000-4-5 соответственно. По сравнению с тестовыми сигналами ESD, тестовые сигналы EOS отличаются большой продолжительностью и более мощной способностью к разрушению (рис. 1). При тех же величинах напряжений EOS может нанести больший ущерб схемам. Кроме того, оборудование IP-камер в основном расположено на открытом воздухе, по этой причине дизайны IP-камер проходят испытания симуляцией грозового импульса.

Рисунок 1. Отличия между электростатическим разрядом ESD и электрическим перенапряжением EOS.

3. Защита порта локальной сети от электростатического разряда и молнии.

Локальная сеть LAN в продуктах IP-камеря вляется типовым внешним интерфейсом. При выборе элемента TVS необходимо отталкиваться от значения пикового импульсного тока (I_PP при t_p=8/20 мкс) как параметра молнии. Для защиты портов RJ45 компания Amazing Microelectronic разработала AZ1513-04S в удобном корпусе SOT23-6L как решение подавления синфазных помех линия-GND. Это решение обеспечивает защиту 4 линий ввода-вывода и линии питания при низких значениях напряжений ограничения для ESD и EOS (рис. 3). Для подавления дифференциальных помех линия-линия предлагается решение AZ1603-02S в корпусе SOT23-6L, идеально соответствующем импедансу дифференциальной пары в топологии разводки печатной платы. Очень низкие параметры паразитной емкости AZ1513-04S и AZ1603-02S, приведенные в таблице 1, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к избыточной паразитной емкости для связи по длинному кабелю между различным оборудованием IP-камер и центральным компьютером.

Рисунок 2. Решение защиты сетевого порта.

Рисунок 3. Тест AZ1513-04S

Дизайн защиты порта локальной сети от воздействия разряда молнии требователен к топологии печатной платы. Она должна соответствовать требованиям к расстоянию между первичной и вторичной обмотками сетевого трансформатора и к импедансу дифференциальной пары. При компоновке печатной платы сигнальные линии по пути распространения сигнала должны проходить непосредственно через TVS и быть как можно короче, чтобы TVS сработал с минимальной задержкой при возникновении выброса ESD или EOS.

Таким образом, для IP-камер обычной практикой является добавление сильноточного элемента защиты от молнии на стороне первичной обмотки сетевого трансформатора. Однако существует проблема завышенного напряжения ограничения, приводящего к повреждению изделия, поскольку часть энергии все же передается в схему через действующую связь между первичной и вторичной обмотками. При возникновении опасного дифференциального напряжения между дифференциальными линиями энергия поступает с первичной обмотки сетевого трансформатора на вторичную обмотку, что может привести к повреждению микросхемы PHY, если избыточный ток не отведется через TVS. Поэтому защита со стороны вторичной обмотки сетевого трансформатора имеет важное значение. Общими критериями тестирования, принятыми производителями IP-камер, являются напряжения ±6 кВ для синфазного тестового напряжения и ±3,5 кВ для дифференциального тестового напряжения. Проводимый тест на молниезащиту подтверждает способность изделия противостоять ударам молнии в местах применения, уменьшает количество неисправностей изделия, вызванных факторами окружающей среды, и, таким образом, экономит затраты на ремонт и поддерживает репутацию производителя оборудования на рынке.

Таблица 1.