監視器在當今世界已變得無所不在。無論我們是在附近晨跑、護送孩子上學或通勤上班，安全攝影機都可能在監視我們。美國人每週約有 238 次被監視器拍到。安全攝影機在私人和公共場所的廣泛採用正在不斷增加，這主要是由於它們易於安裝且提供安全感。設定完成後，攝影機會立即開始記錄影像和視頻，允許授權使用者透過智慧型手機或其他裝置存取網路上的即時視訊來源。
監視器通常安裝在室外，預計可以在最少的維護下完美運行多年。儘管戶外條件充滿挑戰，這些攝影機仍必須保持準確的性能，並保持抵禦靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 以及雷擊和電氣開關引起的浪湧等威脅的能力。要確保監視攝影機的持久可靠性，需要全面了解相關標準，並周全地採用符合這些安全標準的瞬態保護裝置。
ESD、EFT 和突波保護的 IEC 標準
國際電工委員會 (IEC) 是一個致力於促進電氣和電子產業標準化領域國際合作的全球組織，它制定了瞬態抗擾度標準，現已成為製造商的重要基準。這些標準包含旨在解決各種瞬態突波問題的三個主要準則：
1. IEC 61000-4-2：此標準重點在於電子應用中的 ESD，考慮最終使用者環境中的系統級影響。按此處查看該標準的詳細概述。
2. IEC 61000-4-4：此標準評估設備承受反覆出現的電氣快速瞬變和突發的能力。
3. IEC 61000-4-5：此標準解決了電源和數據線路上由雷擊和開關浪湧引起的最嚴重的瞬態條件。
在本部落格中，我們將深入研究 IEC 61000-4-5 標準，並探討如何根據該標準保護安全攝影機資料/訊號線中使用的電氣組件免受閃電和浪湧瞬變的影響。
IEC 61000-4-5
IEC 61000-4-5 概述了對任何被測設備 (EUT) 進行突波抗擾度測試的程序和方法。我們可以先定義什麼是激增。突波是一種短暫的高能量電壓和電流尖峰，有時由電氣開關或閃電觸發。與 ESD 和 EFT 事件不同，突波持續時間更長並且包含更高的能量水平。
IEC 61000-4-5 解決了電源和資料/訊號線上的瞬態條件。開關瞬變可能由多種因素引起，包括電力系統開關、配電負載的變化、短路故障或電弧引起的分散式接地情況。由於室外設備的直接雷擊、間接雷擊產生的電磁場感應電壓和電流或雷電耦合到整個接地系統的接地幹擾，可能會發生與雷電相關的瞬變。
突波發生器或組合波形產生器 (CWG)
IEC 61000-4-5 標準定義了模擬突波或瞬態場景的測試設定、EUT 的瞬態入口點以及一組安裝條件。主要想法是創造與現實世界浪湧事件非常相似的波形。瞬態定義為突波發生器或組合波形產生器 (CWG) 產生給定波形並具有指定的開路電壓和來源阻抗。IEC 61000-4-5 定義了兩種組合波形：
• 1.2/50μs 組合波（1.2/50μs 開路，8/20μs 短路）
• 10/700μs 組合波（10/700μs 開路，5/320μs 短路）
10/700μs 組合波產生器用於測試用於連接室外對稱通訊線路的連接埠。在本部落格中，我們將只討論 1.2/50μs 組合波形產生器。圖 1 顯示了 1.2/50μs 組合波湧發生器的簡化原理圖。 
圖 1. 組合波形產生器的簡化電路圖（1.2/50 µS 和 8/20 µS）
CWG 根據 IEC 61000-4-5 標準，使用測試裝置來模擬電壓波形和電流波形的突波特性。在圖 1 中，高壓源所透過電阻器 R C對電容器 C C充電。當電容器Cc充電時，開關S 1將能量傳送到由R S1、R S2、R M和LR創建的網路中。R S1和R S2是脈衝寬度整形電阻，R M是阻抗匹配電阻，L R是上升時間整形電感。有意選擇元件值，以確保它們在開路中產生規定的電壓突波，在短路中產生規定的突波電流。這兩個波形的上升時間和持續時間都表現出變化。圖2(a)示的電壓波形的上升時間為1.2μs，半長為50μs。電流波形的上升時間為 8μs，半長為 20μs。此測試設定在輸出開路時提供 1.2μs/50μs 電壓波形，在輸出短路時提供 8μs/20μs 電流波形。
圖 2. (a) 開路電壓 (1.2/50μs) (b) 短路電流 (8/20μs) 波形（來源）
產生這些波形的關鍵因素在於圖 1 所示電路的元件選擇。為了簡化問題，採用的一種慣例是確定產生器的有效輸出阻抗。此定義是基於發電機產生的最高開路輸出電壓和最高短路電流之間的比率。對於 CWG，該比率表示有效輸出阻抗為 2Ω。本質上，這個 2Ω 表示電纜或系統內任何其他連接的阻抗。峰值電壓通常範圍為 0.5kV 至 4kV。表1顯示了峰值短路電流和峰值開路電壓之間的關係。
表1：峰值短路電流與開路電壓的關係
耦合/去耦網絡
IEC 61000-4-5 標準概述了各種耦合/去耦網絡，這些網絡是設計用於將 CWG 產生的電壓突波耦合或傳輸到 EUT，同時將其與設施電源隔離或去耦的工具。目的是透過減輕突波和過電壓對其他連接設備的影響來保護 EUT 的網路。當 CWG 耦合到 EUT 時，在某些情況下輸出阻抗可能遠高於 2Ω。這個因素的決定取決於具體應用，是否涉及訊號線或供電網絡，以及突波影響的位置。IEC 61000-4-5 提供了有關外部耦合網路選擇的指南。添加外部電阻的原因是為了減少施加突波的能量。當訊號或通訊線路（非屏蔽、不對稱互連線路）進行突波測試時，耦合網路由 40Ω 外部電阻組成，如圖 3 所示。此配置產生 42Ω 源阻抗，其中包括外部電阻 (R EXT =40Ω）和固有阻抗（R OUT =2Ω）。在圖 3 中，CD 表示耦合裝置，可確保互連線和 CWG 之間充分絕緣，同時促進突波脈衝的有效傳輸。任何耦合裝置，無論是電容器或氣體放電管（GDT），只要能滿足耦合和絕緣的要求，就可以使用。
圖 3. 非屏蔽非對稱互連線耦合網路的測試設定：線對線和線對地耦合
當直接耦合突波事件以嚴重電流影響任何 EUT 的輸入時，連接到訊號線的電路板內的組件會經歷電感耦合衰減浪湧電流。舉例來說，如果 CWG 充電至 500V，耦合網路將產生 500V/2Ω 的峰值電流，從而導致 EUT 在其電源輸入處經歷 250A 的大幅浪湧。然而，訊號線遇到500V/42Ω的峰值電流，產生12A的突波。因此，42Ω的源阻抗對於衰減峰值電流同時保持突波電壓恆定具有重要作用。
圖4. 非屏蔽對稱互連線耦合網路的測試裝置：線對地耦合
圖 4 說明了耦合和去耦網路的測試佈置，用於使非屏蔽、對稱互連線路承受浪湧。當與對稱互連線或雙絞線耦合時，耦合以共模形式發生，這意味著它會影響與地面相關的所有線路。從浪湧發生器到 EUT 的能量傳輸被認為是一個常數，與電纜中的線路數量無關，並且相當於大約 40Ω 的耦合阻抗。此等效耦合阻抗分佈在電纜內的線路之間，這就是為什麼每條線路上採用的耦合電阻值為 40Ω 的倍數。例如，圖 4 中的每個電阻器均為 160Ω，因此總等效 R EXT為 40Ω。
瞬態應力水平和突波電流
在了解了訊號線測試配置的 CWG 電路和耦合/去耦網路後，我們尋求的有關 IEC 61000-4-5 標準的最後一條資訊涉及瞬態應力水平和浪湧電流。安裝等級定義了任何系統的每個入口點的瞬態應力水平。IEC 61000-4-5 標準根據設備的安裝位置劃分了各種類別，每個類別都有相關的峰值電壓要求。六種安裝類別的定義如表2所示。如果設備屬於安裝類別1或面臨至少500V及以上的突波，則通常需要瞬態突波保護。
表 2：安裝等級和電壓等級
表 3a 和 3b 根據安裝類別和耦合方法總結了訊號線上的各種威脅等級。它使用 1.2 x 50 µs 波形顯示電壓應力值。對於選擇抑制元件，考慮短路電流值更有利。這些短路電流應力水平是使用 8 x 20μs 波形定義的。
表 3a 和 3b：IEC 61000-4-5 - 根據安裝類別選擇訊號線上的測試級別
使用瞬態抑制裝置屏蔽監控攝影機接口
該部落格最初討論了戶外監視器使用日益普遍的問題。在徹底研究了浪湧事件和訊號線的 IEC 61000-4-5 標準之後，我們來研究一下保護監視攝影機的連接埠和介面免受浪湧和其他 EOS 事件影響的方法。
根據 IEC 61000-4-5 標準，所需的典型抑制元件是與需要保護的電路並聯放置的箝位裝置。在電源或VBus應用中，通常需要高功率裝置。根據特定應用和元件在電路板中的位置（無論是在電路板的輸入端還是中間），人們可能需要單獨的分立元件或組裝的解決方案。瞬態電壓抑制 (TVS) 二極體因其出色的箝位電壓特性和快速響應時間而脫穎而出，可保護資料或訊號線並提供二級板級保護。任何瞬態抑制元件的目的都是承受突波電流並透過將突波電壓限制在電路最大允許電壓以下來保護電路。
TVS 二極體能夠迅速回應電壓突波，在進入電路之前將突波箝位至指定值－箝位電壓 (V CL )。當發生瞬態事件時，TVS 二極體會轉變為低阻抗元件，將瞬態突波電流重新引導至遠離電路的方向，並提供必要的保護。TVS 二極體的資料表中將突波電流能力指定為峰值脈衝電流 (IPP ) 。
圖 5. 監視攝影機及其介面的框圖
圖 5 顯示了典型監視攝影機的框圖，其中的介面需要針對電氣過應力事件（包括 ESD 和突波）提供保護。表 4 列出了瞬變保護元件，用於保護監視攝影機、感測器、伺服器和其他裝置的連接埠和介面免受電氣瞬變、電氣過應力 (EOS) 和 ESD 事件的影響（圖 5）。
表 4：監視攝影機每個介面和連接埠的 ESD 和突波保護裝置
結論
乙太網路供電 (PoE)、簡化的安裝以及增強的與便攜式設備的數據通訊共同促進了監視攝影機在各種戶外場所的廣泛採用。鑑於該設備的廣泛使用，必須確保每個介面、數據連接和通訊連接埠在安裝的整個生命週期中可靠地免受 ESD 和浪湧相關的 EOS 威脅。在大多數情況下，TVS 二極體可在較長時間內提供可靠的保護。然而，由於室外監視器暴露在雷電和開關浪湧危險中，相關電纜也暴露在外，因此仔細選擇瞬態抑制設備就變得至關重要。Semtech 是 EOS 保護產品的著名製造商，在監視攝影機設計的訊號線中遵守突波保護的 IEC 61000-4-5 標準和靜電放電 (ESD) 的 IEC 61000-4-2 標準。我們值得信賴的 TVS 產品已成為全球許多流行監控攝影機的選擇。在設計監控攝影機電路時請聯絡 Semtech，並保護其免受資料/訊號線路中 EOS 事件的影響。