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
附表1
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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
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az1513-04s sot23-6l 2 3.3 4 7.5 10 30
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