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原创精华!顺络技术大咖谈监控系统电源供电防雷

发布时间:2014-04-24 责任编辑:cicy

【导读】过电压保护与雷电防护一直是电子行业的热门话题。相信许多的工程师们每天都在不断钻研这个问题。在深圳举行的第二届电子信息博览会中,由电子元件技术网在会展中心六楼举办的2014安防电子技术研讨会上,顺络电子的专业大咖唐工为我们带来了最新的技术方案和解决办法。

在实际的视频监控系统防护当中,因为受到体积的限制,所以在视频监控系统一般会需要一个防雷盒子,因为像摄像头很多是在户外工作的,所以后面用到防雷盒子,用防雷盒子有两个局限性,第一,这个盒子会添加整个系统的方案成本,还有在一些布线的地方会有一些局限。

 在安防设备监控系统这一块的话会受到两个类型过电压的破坏,一个是雷电感应过电压,一个是操作过电压。

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

对于摄像机来说,因摄像机功率较小,其中自身产生的操作过电压也较小,雷电感应过电压是摄像机必须承受的主要过电压,DVR/NVR等则可能遭受来自雷电和操作过电压的破坏。感应过电压产品的途径:供电线路、网络接口、信号线接口。今天的重点是供电线路。

根据IEC61000-4-5的标准以及在实际操作中客户的需求,12VDC电源线间差模雷电承受:2KV(1.25/50μS)或1000A(8/20μS);

24VAC或POE电源线对地共模雷电承受:4KV(10/700μS)/100A;

 24VAC或POE电源线间差模雷电承受:  2KV(10/700μS)/50A。

在雷电过电压防护这一块,主要的器件包括压敏电阻,TVS,GDT。顺络这次推出的一个在性能和价格比较有优势的是SDVD系列的这个产品,相对引线式的压敏电阻来说,它采用的是多层的结果,所以我们可以通过调整压敏内部的厚度使尺寸做得更小,能够耐受的脉冲电流可以有更大的效果。后面的议题主要是针对这三种器件做纵向的比较,根据它们的优点和缺点做组合的方案,尽可能达到性价比比较好,整体的防控能力比较强的目的。

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

像摄像机这块空间会受到限制,在户外工作的话需要耐受很大的雷电过电流的冲击,所以传统的插件压敏电阻用起来就会有各种各样的局限性,并且这种插件性的产品,因为内部是一个单层的结构,所以在低电压这一块,能够耐受的电流比较低,在摄像机这块它的效果没那么好。我们的片式是多层的结构,所以在尺寸这一块会有优势。所以在安防领域的监控系统这一块它的应用是非常合适的。这是一个性能对比。

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

 
原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

对于最大直流工作电压不大于56V的压敏电阻,贴片式产品的耐受脉冲电流远大于引线式产品; 贴片式压敏电阻的产品尺寸远小于引线式压敏电阻,故在整机空间有限制时,可以采用贴片式压敏电阻,如网络摄像头部分。
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下面针对这三种过电压的防护器件做横向的对比。过电压器件在用的时候,包括压敏电阻,TVS,GDT都是并联在需要保护的电路前段,当有一个过电压来的时候,像这种1.2/50us雷电波形来的时候,同时起到线压的作为。这边引起了一个限制电压的概念,就是保护器件能够把过电压限制到安全的电压,这个限制电压要远远小于系统能够耐受的容许电压。

这是压敏电阻和TVS、GDT的对比。

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

响应时间比较是在引线式元件结构下比较的。若是贴片式结构,压敏与TVS响应时间不大于2.5ns,GDT响应时间不大于50ns;以上三种元件可以用于不同的线路保护位置,相对比较压敏电阻具有很好的性价比。

下面我们会看到一些更加具体的数据。

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

工作电压 5.5~100Vdc(SMDJ* 11~100Vdc),两类产品间工作电压对应替换,压敏电阻尺寸远小于TVS,且压敏电阻性能优于相对应TVS,但其成本降低30%;与其他过电压保护器件相比,压敏电阻在温度特性、阻燃特性、EMC效果方面具有更优性能。

随着工作电压增高,通过TVS的脉冲电流能力大幅度下降,而通过SDVL压敏电阻的脉冲电流能力几乎不变;因此,压敏电阻可更好地用于高电压、高脉冲电流幅值的线路中,进行过电压抑制及浪涌吸收。

在EMC效果这一块,TVS/GDT/PESD没有吸能能力,脉冲能量一直在电路中存在,在地线上会形成 Ldi/dt 电磁干扰,须并联电容降低di/dt。

压敏电阻具有内阻,能够吸收部分能量,降低脉冲电流幅值及di/dt,在线路中具 有EMC功能。

温度特性,片式压敏电阻陶瓷属热良导体,具有很好的散热能力,在高达85℃ 时仍保持脉冲电流稳定的温度特性。TVS因其材料特性,温度特性从25℃脉冲电流开始衰减。

压敏电阻和TVS性能比较。可以看到,红色的是TVS,蓝色的是压敏电阻,压敏电阻与TVS比较,具有较强的脉冲电流承受能力及较小的尺寸,具有良好的性价比,限制电压较高。经过设计可以有效地应用于共模、差模的雷电防护线路。若线路具有较高的脉冲电流、被保护元件耐脉冲电压能力差,则可将压敏电阻与TVS配合使用,达到理想的防护效果,降低设计成本。

在工作的范围内,压敏电阻限制电压比TVS要高一些,但是它能够耐受的脉冲电流远远大于TVS,两者有各自的优点,相对来说TVS限制电压的能力会更低,压敏电阻能够耐受的脉冲电流更大一些。在一些线路当中必须去耐受比较大的脉冲电流,但是能够耐受的过电压能力比较弱的这种情况下用压敏电阻跟TVS进行配合使用的话会达到非常好的效果,而且整体的设计成本会更低。

这是压敏电阻和GDT性能比较。红色代表的是压敏电阻,蓝色代表的是GDT。这是我们做的一个试验。

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

压敏电阻具有良好的电压箝位特性,在箝位区内,随着冲击电流的急剧增大,箝位电压小幅度平缓增加,具有脉冲能量耗散能力;

GDT击穿电压高,耐受脉冲电流大,其残压峰值高,需要二级防护设计方可安全可靠;
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在相同脉冲电流下,GDT的残压尖峰值(Up)为压敏电阻残压的2-3倍,而且分散性较大,尖峰值持续时间(T)不超过2μS,限制电压(Ur)不超过30V,无脉冲能量耗散能力。若其尖峰值对被保护元件有损伤,则须进行二级防护设计;

压敏电阻成本较GDT低,二者配合使用会达到理想的防护效果,且能降低设计成本。

最后一部分是监控系统电源供电雷电防护方案。这个防护方案目前在一些企业当中得到了验证。第一个是12V直流供电线路雷电防护。这边是给出了两种方案,第一种方案是采用压敏电阻加TVS加磁珠的组合,我们的测试结果是这样的。

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

方案A所承受的脉冲电流峰值远大于压敏电阻或TVS,而被保护IC两端的残压不超过40V,充分发挥了压敏电阻和TVS自有优势。

这是另外一个方案,这个方案比较简单。

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

 在IC前端、直流电源间采用一级防护,设计大功率TVS(5.0 SMDJ15CA),其性能基本满足该电源雷电标准,但设计成本很高。

这两个方案可以用在不同的地方,比如说一些芯片能够耐受的过电压特别低的时候用TVS管,如果你对性价比有希望的话可以选择方案A。
这是方案A和方案B性能和价格的对照。

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

对于12V直流供电线路雷电防护方案,方案A承受脉冲电流能力大于方案B,其限制电压稍高于方案B,其综合性价比优于方案B。对于脉冲绝缘耐压优良的IC,可采用方案A。对于脉冲绝缘耐压很低的IC,则可考虑方案B。以上选择须以试验验证。
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还有一块是针对POE,因为现在很多室外的枪机或者球形机可能取电不是很方便,所以可以直接用POE做供电,POE是一个48V的电压,这个方案也可以用于24VAC下,共模和差模这两个雷电方案都需要做,这是行业内给出的标准:

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

同样我们也给出了两个方案,方案A和方案B,方案A

原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

方案B

 
原创精华!“过电压保护器件性能比较”与“监控系统电源供电雷电防护方案”

对方案A和方案B进行比较,可以看到方案A可以耐受的脉冲电流和限制电流能力会大于方案B,在成本这一块,在共模这一块,压敏电阻的成本是GDT的一半。在差模这一块,压敏电阻的成本是TVS管的二分之一到三分之一。采用压敏电阻的劣势是它的限制电压比TVS管要高一些,针对这两种方案我们也可以做灵活的选择。对于POE或24VAC供电线路雷电防护方案,方案A承受脉冲电流及限制电压能力大于方案B,其综合性价比优于方案B。对于脉冲绝缘耐压优良的IC,可采用方案A。对于脉冲绝缘耐压很低的IC,则可考虑共模用压敏电阻、差模用TVS。以上选择须以试验验证。这个方案根据客户不同的测试标准有时候结果会有一定的差异,都需要做实际的测试。

这是我今天主要的内容。今天的议题很简单,我们推出了一个比较新型的贴片压敏电阻,这个压敏电阻是可以做雷电防护的,因为它的价格比较低,能够耐受的脉冲电流比较大,尺寸也比较小,所以特别适用在摄像头,希望有这个需求的工程师我们可以做进一步的探索。

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