保護(hù)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(jī)構(gòu)的安全和風(fēng)險(xiǎn)緩解需求、新型保險(xiǎn)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(jī))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(jī)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(shí)現(xiàn)攝像頭的供電和連接成為了可能，同時(shí)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(hù)公共場所(比如公寓和辦公樓、工廠、學(xué)校校園以及個(gè)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(jī)/個(gè)人錄像機(jī))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(shí)，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(jì)師和制造商都是一個(gè)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(shí)，設(shè)計(jì)師還要面臨降低成本的壓力。

許多情況下，在早期的設(shè)計(jì)階段，很少有制造商會考慮瞬態(tài)保護(hù)，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(fèi)用和處理問題，使其品牌信譽(yù)受損。保護(hù)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(hù)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(gè)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(gè)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(shí)，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(hù)。因?yàn)樵摱丝诘膫鬏斔俣容^低，所以可選擇高達(dá)30pF的電容值進(jìn)行保護(hù)。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(gè)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(hù)。因?yàn)檫@些電路是簡單的直流電路，所以保護(hù)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(hù)，因?yàn)閁SB2.0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(hù)錄像機(jī)

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(hù)以抵御雷擊浪涌瞬變。如圖1所示，SIDACtor器件可用于標(biāo)清實(shí)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(hù)。

圖2：HD-SDI接口的電路保護(hù)。

對于那些把錄像機(jī)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(hù)器件必須有一個(gè)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(hù)

以太網(wǎng)電路的保護(hù)需要更精致的處理，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)(室內(nèi)對室外)將決定保護(hù)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(jī)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(hù)器件的電容值應(yīng)在4pF左右或更低，因?yàn)閿?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(hù)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(hù)—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(gè)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(hù)。

圖4：以太網(wǎng)接口的電路保護(hù)—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(hù)。

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(gè)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(hù)。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(hù)所允許通過的任何能量。這種級聯(lián)保護(hù)方案的一個(gè)例子如圖5所示。

圖5：以太網(wǎng)接口的電路保護(hù)—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?cái)z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(hù)方案里將增加另一個(gè)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(gè)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(hù)數(shù)據(jù)線外還要保護(hù)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(hù)數(shù)據(jù)線，同時(shí)根據(jù)其特有的需要添加電源保護(hù)。此外，還需考慮如何實(shí)現(xiàn)供電(模式A或模式B)。

模式A和模式B實(shí)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(shí)現(xiàn)。在模式B安裝中，電源將在數(shù)據(jù)線對上實(shí)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(hù)方案是橫跨輸入和電源使用一個(gè)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?yàn)镻SE控制了具體的實(shí)現(xiàn)。PD需要同時(shí)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(hù)器件。對于更穩(wěn)健的保護(hù)解決方案，可以用SMB、SMC、SMD版本替代SMAJ58CA。

圖6：用TeleLink保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)PoE電源保護(hù)。

在建筑物間有可能產(chǎn)生浪涌的安裝中，可能需要一個(gè)更為穩(wěn)健的解決方案。因?yàn)檫@些浪涌的能量會超過大多數(shù)單個(gè)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(hù)，并將同時(shí)為模式A和模式B提供保護(hù)。該解決方案也適用于PoE+(IEEE 802.3at)。

圖7：用TeleLink保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)建筑物間的PoE電源保護(hù)。

雙向晶閘管浪涌保護(hù)器件可以保護(hù)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(jì)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(gè)安裝壽命期內(nèi)都可靠，應(yīng)當(dāng)把瞬態(tài)保護(hù)(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(hù)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(hù)。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(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)更具靈活性。