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瞬雷電子:DVR產(chǎn)品ESD和浪涌案例分析

關(guān)鍵字:瞬雷電子  DVR  ESD 

隨著(zhù)安防行業(yè)的蓬勃發(fā)展,DVR產(chǎn)品越來(lái)越普及,其可靠性也提上日程,尤其是ESD和浪涌的防護。在印度、巴西等雷暴很頻繁的地區,DVR沒(méi)有良好的防護設計,會(huì )給公司造成很大的損失。

這里分析幾個(gè)在我們產(chǎn)品設計中遇到的案例。

在這之前,先羅嗦幾句,傳統的“問(wèn)題解決辦法”已經(jīng)過(guò)時(shí),“系統法”正在逐步建立,在這里要鳴謝深圳市瞬雷電子有限公司為我們提供的所有服務(wù),尤為重要的是“系統法”的提供與實(shí)踐者。

案例1:VGA電路防護

如圖電路板A/B:為VGA端口的靜電防護,選擇的靜電保護器件為:TUSD03FB (具體資料可查詢(xún)www.spsemi.cn 網(wǎng)站),測試條件為:接觸放電8KV .測試結果如下:A板Pass ,B 板NG.

《國際電子商情》SPSEMI瞬雷電子 DVR產(chǎn)品ESD和浪涌案例分析

上圖1電路板A和電路板B的原理圖設計一致,實(shí)驗結果是電路板B的防護等級明顯降低。

圖1電路板A黃色線(xiàn)是需要防護的線(xiàn)路,周?chē)械鼐€(xiàn)做保護,綠色星形圓孔是單板接外殼的接地孔,電路板B的白色線(xiàn)是需要防護的線(xiàn)路。這兩塊單板都是四層板,防護器件都在top層,第二層是地平面,第一層和第二層之間的絕緣介質(zhì)只有3.2mil。ESD實(shí)驗的時(shí)候TVS把能量瀉放到第二層的地平面,然后再通過(guò)接地孔瀉放到金屬外殼上,由于絕緣介質(zhì)很薄,能量在地平面傳輸的過(guò)程中很容易耦合到第一層的信號上。電路板A很顯然瀉放通道是最順暢的對其他信號的干擾最小,電路板B的瀉放通道不太順暢,對其他信號干擾的概率增大。

所以結構接地孔的設計對ESD的防護有很大的影響。

“系統法”中具體表現為:

(1) 地位置的排放,明確了耦合路徑,而選擇一個(gè)較好的耦合路徑為問(wèn)題的解決起到事半功倍的效果。

(2) 其次,由于對靜電的特性不了解,所以在布局上,沒(méi)有考慮進(jìn)去,所以“系統解決法”的好處就在這里。

案例二:后面板PCB設計問(wèn)題

圖2是DVR產(chǎn)品中的功能后板,此板一般采用二層PCB板設計,圖2紅色框是此板和主板的連接器同時(shí)還有眾多連接攝像機的BNC連接器。由于布局的要求很多信號從單板的右端連接到左端或者說(shuō)單板左端的線(xiàn)密度大而右邊的線(xiàn)密度較小。在ESD實(shí)驗的時(shí)候發(fā)現右端的接口較容易過(guò),左端很難通過(guò)。

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通過(guò)對PCB設計分析發(fā)現很多信號線(xiàn)穿過(guò)放電管的區域。如圖3所示,黃色高亮的信號線(xiàn)連接到一個(gè)放電管上,但是此放電管的bottom層有很多的信號線(xiàn),放電管的接地端又沒(méi)有良好的接地瀉放平面。這樣造成了對其他信號很強的耦合干擾。

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針對以上情況使用很粗的線(xiàn)纜與放電管以及BNC的接地腳和外殼端接在一起,同時(shí)BNC又和結構的外面殼焊接在一起。這樣給ESD和浪涌信號一個(gè)最順暢的瀉放通道。

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“系統法”中具體表現為:

1、 接地阻抗的連續性,如接地阻抗大,那么對地瀉放時(shí),PCB 上地層的電壓就會(huì )升高,由于dv/dt 變化很快,任何的寄生參數就不能不考慮,電壓大對其他信號線(xiàn)及信號層耦合的可能性就變大,影響其耦合的四大因素有:時(shí)間、距離、角度、頻率。

2、 其次,電壓大時(shí),如何成功將其轉化為電流,這就是選擇防護器件的必要性,如電流很大,接地阻抗連續性差,即接地阻抗較大,又會(huì )轉換為電壓,所以二者之間是相輔相成。

3、 其次和上述案例一樣,就是地層與信號線(xiàn)之間的耦合問(wèn)題,所以作為瀉放地,在一級防護器件之后,在短距離內是不宜靠近信號線(xiàn)或其他參考層。所以“分地”的好處就在這里。時(shí)而“分”時(shí)而“合”既兼顧又統一。

案例三:主板上二級防護的必要性

下圖對第10通道進(jìn)行ESD實(shí)驗可以通過(guò);對第3通道進(jìn)行ESD實(shí)驗,第10通道受到第3通道的耦合,但是第10通道的防護器件遠離耦合點(diǎn)(圖5黃色高亮器件是第10通道的防護器件),使得第10通道的防護器件對于第3通道的耦合干擾無(wú)法發(fā)揮作用,從而影響主板上第10通道的正常工作。此時(shí)需要在主板上進(jìn)行第2級防護。

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下圖D1是后面板上的第1級防護,D2是主板上的第2級防護。這種設計可以在一定程度上解決第3通道對第10通道的干擾。

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“系統法”中具體表現為:

1、 可維修設計方法得到體現,按照之前的方案,是不需要二級防護的,由于PCB設計中可能出現的問(wèn)題,所以在這里之前就預留了對地瀉放的位置。其次還可以在電路中設計為串聯(lián)0 歐姆電阻,通過(guò)改變電阻的大小,從而改變系統的整體效能。

2、 防靜電的總的處理辦法為:瀉放-----阻-----瀉放 ,既滿(mǎn)足系統對靜電的要求還滿(mǎn)足了系統對浪涌的要求,否則將會(huì )導致設計失敗。

案例四:SDI防護電路

SDI是安防行業(yè)近期興起的一種技術(shù),但是高清SDI的速率達到2.97Gbps,如此高的頻率對防護提出了更高的要求。

圖8是SDI單板整改前的原理圖和PCB設計,此設計沒(méi)有通過(guò)浪涌和ESD實(shí)驗。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現TVS距離被防護器件較近,而且還缺少小電阻進(jìn)行退耦,造成防護器件輸入端口處的殘壓過(guò)高。

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圖9是整改后的原理圖和PCB。增加了4.7歐姆的退耦電阻,TVS的防護提前,同時(shí)又增加了一級TVS防護,這樣更進(jìn)一步減小殘壓。此兩個(gè)TVS和電阻電感構成一個(gè) 型濾波器,濾除ESD和浪涌信號而讓SDI的信號通過(guò)。

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“系統法”中具體表現為:

(1) 前期對Gennum的電磁易損性評估過(guò)低,不論是前期方案還是后期方案,設計的防護電路都沒(méi)有任何異常,說(shuō)明電路本身的承受能力是相當的。所以前期對后級電路的電磁易損性的評估顯得很重要。

(2) 對于高頻信號的設計,在這里SF3的使用是極佳的,對信號能順利通過(guò)3GHZ的測試奠定了基礎,同時(shí)采納了高頻電路對PCB的設計的需求,強調研發(fā)與供應商工程師的良好溝通,保證了項目的成功完結。

軟件配合

模擬攝像機通過(guò)BNC連接到DVR中的一個(gè)視頻decoder上,此decoder需要進(jìn)行浪涌和ESD的防護。在ESD和浪涌實(shí)驗時(shí)有些情況下系統主芯片可以正常工作,但是此decoder不能正常工作。此時(shí)主芯片可以檢測此芯片是否有圖像輸入,如果檢測沒(méi)有圖像輸入,主芯片就對此decoder復位或者重新配置。

經(jīng)過(guò)以上分析,可以得知一個(gè)良好的DVR防護設計是硬件方案、PCB、結構甚至是軟件互相配置的綜合系統級設計,而綜合的“系統法”更是將這些因素緊密的聯(lián)系在一起。上述所提還只是系統法的只言片語(yǔ),因此在實(shí)踐中,不斷的結合理論,不斷的總結改進(jìn)才能設計出良好的DVR產(chǎn)品。再次感謝在這些系統整改中為之努力的所有工程師朋友們。

產(chǎn)品目錄
MULTICOMP PRO
Kyet 科雅薄膜電容器
喬光電子(FTR)
采樣電阻
KINGSTATE(志豐電子)
君耀電子(Brightking)
RUBYCON電容原裝現貨供應商
HAMAMATSU 濱松光電產(chǎn)品
傳感器
飛思卡爾開(kāi)發(fā)工具 Freescale
嵌入式解決方案
自動(dòng)化工業(yè)系統
網(wǎng)絡(luò )攝像機
行車(chē)記錄儀
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