保護安防監(jiān)控系統(tǒng)以防電瞬變

安防攝像頭和監(jiān)控系統(tǒng)遍布世界各地，并且其使用大有與日俱增之勢。這種局面是由諸多因素造成的，包括：公共機構(gòu)的安全和風(fēng)險緩解需求、新型保險業(yè)的需要，以及成本降低但系統(tǒng)性能增加的變化趨勢。

過去，監(jiān)控系統(tǒng)常常需要進(jìn)行專業(yè)安裝，并且會用到特殊電纜和分立式電源。而如今，IP監(jiān)控系統(tǒng)非常容易安裝并且適應(yīng)性好，能夠通過常用的CAT5(5類)電纜或者Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接到既有的以太網(wǎng)(Ethernet)基礎(chǔ)設(shè)施中。此外，通過把現(xiàn)有的IP攝像頭連入DVR(數(shù)字硬盤錄像機)或者云存儲服務(wù)就可以組成一套完整的系統(tǒng)，進(jìn)而還可以通過任何智能手機或者其他便攜式設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場遠(yuǎn)程監(jiān)控。

以太網(wǎng)供電(PoE)在使用和送電能力方面也取得了長足進(jìn)步，這使得僅通過單根電纜實現(xiàn)攝像頭的供電和連接成為了可能，同時也降低了安裝成本。

安裝在室內(nèi)外的攝像頭不僅可用來保護公共場所(比如公寓和辦公樓、工廠、學(xué)校校園以及個人住宅)的安全，還可以用來監(jiān)控交通狀況。在所有這些情況下，電纜連接和斷開的過程中都會遭受靜電放電(ESD)和電纜放電事件(CDE)的威脅。易損壞的電路包括按鈕和開關(guān)、存儲器插槽以及視頻輸出端口。對于安裝在室外的攝像頭而言，視頻(CVBS或SDI)和數(shù)據(jù)(以太網(wǎng)、USB)端口還會遭受劇烈且重復(fù)的雷擊瞬變現(xiàn)象。

同樣，錄像硬件(數(shù)字硬盤錄像機/個人錄像機)也將會暴露在ESD和雷擊浪涌的威脅下。當(dāng)錄像設(shè)備連接到視頻和數(shù)據(jù)端口時，就會引入ESD。在雷雨天氣里，瞬變可引入電源(AC/DC)電路和以太網(wǎng)/視頻端口中(如果連接到安裝在室外的攝像頭上)。

所有這些問題對硬件設(shè)計師和制造商都是一個不斷增加的挑戰(zhàn)。隨著各種設(shè)備功能的增加，芯片組的復(fù)雜度及靈敏度也在增加。同時，設(shè)計師還要面臨降低成本的壓力。

許多情況下，在早期的設(shè)計階段，很少有制造商會考慮瞬態(tài)保護，從而導(dǎo)致設(shè)備很容易失效，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的維修費用和處理問題，使其品牌信譽受損。保護元器件的目的就是為了把瞬變能量降低到安全范圍以內(nèi)，以確保應(yīng)用性能可靠并且使電路的正常工作不受干擾。例如，其決不能通過增加額外電容或者其他非線性效應(yīng)使高速信號降低。

本文將討論安防監(jiān)控系統(tǒng)各單元所面臨的威脅以及防止這些威脅的方法。

保護攝像頭

靜電放電(ESD)以及其他瞬變和浪涌可能進(jìn)入攝像頭的直流輸入端口中(如果使用的是分立式電源)。解決方法是在攝像頭直流輸入端口盡可能近的地方連接一個通用瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管。針對5V～6V的關(guān)斷電壓通常定額選配一個30pF/30kV的單向或雙向器件。二極管的選取應(yīng)遵循以下原則：額定電壓比直流電路的額定電壓高15%以上，并且把適用的地方標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)期的溫度范圍考慮在內(nèi)。

多媒體卡(MMC)或者智能卡端口界面是ESD進(jìn)入系統(tǒng)的一道入口。用戶或安裝者會積累靜電荷，當(dāng)MMC卡或SD存儲卡插入時，靜電荷會發(fā)生轉(zhuǎn)移。這里推薦用具有5V～5.5V關(guān)斷電壓的8pF～30pF/15kV單向TVS陣列進(jìn)行保護。因為該端口的傳輸速度較低，所以可選擇高達(dá)30pF的電容值進(jìn)行保護。既可以選擇分立式二極管，也可以選擇二極管陣列—可減少器件數(shù)或者節(jié)省電路板空間。

ESD也可能通過攝像頭的鍵盤和控制按鈕進(jìn)入系統(tǒng)中。這些電路可以通過一個具有5V～6V關(guān)斷電壓的8pF～30pF/15kV～30kV雙向或單向TVS陣列進(jìn)行保護。因為這些電路是簡單的直流電路，所以保護器件的電容無關(guān)緊要，并且其選擇很大程度上是基于外形尺寸的(分立式對陣列，或者封裝外形)。

如果攝像頭包含USB端口，那么數(shù)據(jù)線應(yīng)該用低電容解決方案進(jìn)行保護，因為USB2.0的數(shù)據(jù)速率可高達(dá)480Mb/s，USB3.0的數(shù)據(jù)速率可高達(dá)5Gb/s。在這種情況下，有很多的電容定額遠(yuǎn)低于1pF的陣列可選。

保護錄像機

使用CVBS(復(fù)合視頻基帶信號，也稱為彩色、視頻、消隱和同步)或HD-SDI(高清數(shù)字分量串行接口)等模擬視頻協(xié)議的攝像頭，尤其是安裝在室外的攝像頭，需要足夠穩(wěn)健的保護以抵御雷擊浪涌瞬變。如圖1所示，SIDACtor器件可用于標(biāo)清實現(xiàn);如圖2所示，氣體放電管(GDT)可以和TVS二極管陣列結(jié)合用于高清電路。

圖1：CVBS接口的電路保護。

圖2：HD-SDI接口的電路保護。

對于那些把錄像機連接到外部存儲器、遠(yuǎn)程接入或顯示器的端口，其數(shù)據(jù)速率會很高。在這些情況下，保護器件必須有一個足夠低的電容值，以至于不會干擾各端口的信號完整性。

代表性的端口包括HDMI、eSATA、USB以及以太網(wǎng)。

在接下來的部分將更深入地介紹包括以太網(wǎng)供電(PoE)在內(nèi)的以太網(wǎng)應(yīng)用。

以太網(wǎng)保護

以太網(wǎng)電路的保護需要更精致的處理，因為其實現(xiàn)(室內(nèi)對室外)將決定保護器件所需的穩(wěn)健性的水平。需要回答的基本問題是，究竟用戶是唯一的威脅(考慮ESD)，還是端口也會受到雷擊瞬變的影響。對于以太網(wǎng)端口連接到本地路由器或室內(nèi)攝像機的安裝來說，幾乎不會有雷電耦合到電路的情況發(fā)生，因此ESD將會是唯一威脅。在這種情況下，保護器件的電容值應(yīng)在4pF左右或更低，因為數(shù)據(jù)速率大于100Mb/s。

對于那些具有長電纜(100m)的、以太網(wǎng)硬件與電氣硬件和電路相混合的安裝(設(shè)備箱)，可以應(yīng)用GR-1089之類的標(biāo)準(zhǔn)。在這些情況下，建筑物內(nèi)規(guī)范最為重要，它包括對諸如100Base-T的2對接口使用高達(dá)100A峰值脈沖電流(對于2/10μs波形)以及對諸如1000Base-T的4對系統(tǒng)的每根電線使用36.4A的峰值脈沖電流(1.2/50μs和8/20μs波形)浪涌的規(guī)定。對于這種情況，保護必須更為穩(wěn)健，并且可能需要用到如圖3所示的級聯(lián)方法。

圖3：以太網(wǎng)接口的電路保護—通過TVS二極管陣列來抵御建筑物內(nèi)雷擊。

如果電路包括一個能夠承受和限制雷擊瞬態(tài)的變壓器，則可能只使用如圖4所示的物理層側(cè)的保護。

圖4：以太網(wǎng)接口的電路保護—具有能抑制雷擊的變壓器的以太網(wǎng)接口物理層側(cè)瞬態(tài)保護。

對于攝像頭在戶外的以太網(wǎng)安裝來說，直接耦合雷擊瞬變的可能性非常高。涵蓋這一情況的一個標(biāo)準(zhǔn)就是GR1089建筑物間規(guī)范。在這種情況下，雷擊浪涌定義為具有500A的峰值脈沖電流(對于2/10μs波形)。由于能量極高，需要基于SIDACtor的解決方案來進(jìn)行線路側(cè)保護。對于變壓器的物理層側(cè)來說，安裝二極管陣列可以“肅清”通過線路側(cè)保護所允許通過的任何能量。這種級聯(lián)保護方案的一個例子如圖5所示。

圖5：以太網(wǎng)接口的電路保護—建筑物間的雷擊瞬變抑制。

以太網(wǎng)供電

如前所述，許多監(jiān)控攝像頭系統(tǒng)能夠簡易安裝的關(guān)鍵之處就是以太網(wǎng)供電(PoE)。正如預(yù)期的那樣，這在保護方案里將增加另一個考慮方面—在僅有數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電路中并不存在。也就是說，在應(yīng)用的兩端，以太網(wǎng)線路將連接一個電源。一側(cè)是提供電能的供電設(shè)備(PSE)，另一側(cè)是使用電能的受電設(shè)備(PD)，例如IP攝像頭。

除保護數(shù)據(jù)線外還要保護電源(PSE或PD)。換句話說，即根據(jù)安裝類型(只有ESD或浪涌+ESD)保護數(shù)據(jù)線，同時根據(jù)其特有的需要添加電源保護。此外，還需考慮如何實現(xiàn)供電(模式A或模式B)。

模式A和模式B實現(xiàn)指的是如何將電源加載到以太網(wǎng)電路或從中移除。對于100Base-T以太網(wǎng)，只使用了可用線對中的兩對。另外兩對是備用的，未被使用。對于模式APoE，電源將在備用線對上實現(xiàn)。在模式B安裝中，電源將在數(shù)據(jù)線對上實現(xiàn)。最后，應(yīng)當(dāng)注意，直流電源信號(高達(dá)57Vdc)的方向未指定。它可以被插入到任何一極中。

最常見的電源保護方案是橫跨輸入和電源使用一個雙向TVS二極管。選用雙向二極管，是為了無論極性如何，都能避開線路電壓。圖6說明了對于必須與電源模式A和B都兼容的受電設(shè)備，TVS二極管將如何放置在電路中，因為PSE控制了具體的實現(xiàn)。PD需要同時兼容這兩種模式。對于那些必須符合UL 60950-1等安全標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，該解決方案還提供了過流保護器件。對于更穩(wěn)健的保護解決方案，可以用SMB、SMC、SMD版本替代SMAJ58CA。

圖6：用TeleLink保險絲實現(xiàn)PoE電源保護。

在建筑物間有可能產(chǎn)生浪涌的安裝中，可能需要一個更為穩(wěn)健的解決方案。因為這些浪涌的能量會超過大多數(shù)單個標(biāo)準(zhǔn)TVS二極管的能力，應(yīng)當(dāng)考慮使用諸如Littelfuse SIDACtor系列的高速晶閘管器件。圖7所示的SIDACtor晶閘管器件提供了雙向保護，并將同時為模式A和模式B提供保護。該解決方案也適用于PoE+(IEEE 802.3at)。

圖7：用TeleLink保險絲實現(xiàn)建筑物間的PoE電源保護。

雙向晶閘管浪涌保護器件可以保護PoE PD或PSE免受雷擊浪涌的影響。在這種情況下，SEP器件的引腳2和7在PCB上必須連接在一起。

更快的計算速度、以太網(wǎng)供電以及不斷降低的設(shè)備和安裝成本，使得幾乎在任何地方安裝先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。

為了確保安防系統(tǒng)元器件和網(wǎng)絡(luò)功能在整個安裝壽命期內(nèi)都可靠，應(yīng)當(dāng)把瞬態(tài)保護(ESD和浪涌)考慮進(jìn)去。在大多數(shù)情況下，僅需要基本的ESD保護即可，而暴露在開放室外環(huán)境的設(shè)備或電纜還應(yīng)該防范雷擊浪涌的威脅。電源電路也會受到瞬態(tài)電壓事件的影響而需要保護。對于所有這些情況，有大量的解決方案存在，這將使電路板設(shè)計人員在設(shè)計時更具靈活性。