電池供電的計(jì)算機(jī)和儀器經(jīng)常受到嚴(yán)重的電應(yīng)力，這對串行通信接口提出了一些嚴(yán)格的要求。與往常一樣，使用電池操作要求最小的功耗。收發(fā)器還必須承受重復(fù)性靜電放電(ESD)脈沖，因?yàn)殡娎|連接經(jīng)常與人體和其他帶電物體接觸。

Linear Technology的LT1237可滿足上述要求。LT1237是一個(gè)完整的RS232端口，具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)器，五個(gè)接收器和一個(gè)調(diào)節(jié)電荷泵。電源電流通常為6mA，但設(shè)備可以通過兩個(gè)單獨(dú)的邏輯控制關(guān)閉。驅(qū)動(dòng)器禁用引腳關(guān)閉電荷泵和驅(qū)動(dòng)器-使所有接收器活動(dòng)，I(SUPPLY) = 4mA。ON/OFF引腳關(guān)閉除一個(gè)微功率接收器外的所有電路，I(SUPPLY) = 60μA。主動(dòng)接收器用于檢測啟動(dòng)信號。LT1237工作高達(dá)120k波特，完全符合所有RS232規(guī)范。RS232電纜連接處采用內(nèi)部ESD結(jié)構(gòu)保護(hù)，可承受±10kV人體模型重復(fù)性ESD脈沖。

圖1顯示了一個(gè)典型的應(yīng)用電路。LT1237通過引腳的流動(dòng)及其使用小型表面貼裝電容器的能力，有助于減少接口的整體占地面積。

接口與3V邏輯

手持電腦正迅速轉(zhuǎn)向3V邏輯以節(jié)省電力。然而，在系統(tǒng)的其他地方，更高電壓的總線仍然用于顯示驅(qū)動(dòng)和其他功能。LT1330在功能上等同于LT1237，但工作電壓為5V，使用單獨(dú)的邏輯電源，直接與3V邏輯接口。(圖2)

ESD防護(hù)技術(shù)

盡管LT1237和LT1330上的I/O引腳受到保護(hù)，但在設(shè)計(jì)這些電路時(shí)，對靜電放電及其原因和補(bǔ)救措施的基本了解是有幫助的。

人體摩擦充電產(chǎn)生的靜電放電(ESD)往往是便攜式計(jì)算機(jī)最棘手的問題。(1)放電過程中傳遞的能量通常以快速上升的高壓脈沖的形式出現(xiàn)，并伴有緩慢的指數(shù)尾。ESD脈沖可以用圖3所示的開關(guān)電路建模。ESD提供的頻率分量很好地進(jìn)入GHz范圍。在這樣的頻率下，附近的電纜和PC板走線看起來就像接收ESD噪聲的天線。

靜電放電造成的電路損壞有三種原因:(1)大電流加熱，破壞結(jié)或金屬化。(2)強(qiáng)電磁場，擊穿結(jié)或薄的氧化物。(3) R噪聲，它使電路進(jìn)入無效或鎖定狀態(tài)。

任何消除電荷發(fā)生器、規(guī)避電荷轉(zhuǎn)移或增強(qiáng)電路吸收能量的能力的動(dòng)作，都會增加電路對ESD的容錯(cuò)。消除無處不在的電荷發(fā)生器和破壞電荷轉(zhuǎn)移是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)樗鼈冃枰獓?yán)格控制電路的運(yùn)行環(huán)境。一種更實(shí)用的方法是通過屏蔽電路的外殼和在不使用時(shí)覆蓋RS232端口的連接器來限制ESD入口點(diǎn)。

另一種實(shí)用的補(bǔ)救方法是通過使用速效雪崩二極管或?qū)Ｓ盟矐B(tài)抑制器將RS232線箝位到地來增加收發(fā)器吸收能量的能力(圖4)。離散抑制器廣泛使用并且非常有效。設(shè)計(jì)人員通常不愿意使用離散抑制器，因?yàn)樗鼈兒馨嘿F。每個(gè)引腳的成本高達(dá)0.40美元，有時(shí)甚至超過了收發(fā)器的成本。

LT1237和LT1330包含用于在芯片上轉(zhuǎn)移ESD能量的夾鉗。這些有源結(jié)構(gòu)在高于RS232信號的閾值電壓下快速響應(yīng)正或負(fù)信號，但低于設(shè)備的破壞性水平。大電流的路徑是通過大pn結(jié)，這增加了吸收能量的能力。

當(dāng)放電發(fā)生時(shí)，當(dāng)收發(fā)器關(guān)閉或斷電時(shí)，產(chǎn)生的電流是微不足道的。當(dāng)操作時(shí)，產(chǎn)生的電流可能使內(nèi)部電路偏斜并鎖住電路。觀察表明，這些非破壞性誤差高度依賴于收發(fā)器的邏輯狀態(tài)。循環(huán)電源清除電路。

當(dāng)需要非常高水平的ESD保護(hù)時(shí)，可以使用外部LC濾波器(圖5)將ESD能量降低到可以在收發(fā)器內(nèi)安全消散的范圍內(nèi)。

PC板布局

如果返回路徑的阻抗大到足以產(chǎn)生相當(dāng)大的電壓降，那么通過ESD鉗位分流的能量仍然會引起問題。這種電壓降可能會損壞共用回線路的未保護(hù)元件。因此，在PC板中包括一個(gè)低電感接地平面對于良好的ESD保護(hù)至關(guān)重要。對于LT1237和LT1330，通過V -到地的交流路徑也必須是低阻抗的。在主存儲電容并聯(lián)上增加幾百皮量級的低ESR電容，可提供良好的交流接地。

當(dāng)使用離散的瞬態(tài)抑制器或?yàn)V波器時(shí)，將元件盡可能靠近到返回平面的短路徑連接器。使電路板走線之間的間距盡可能寬。當(dāng)走線間距較窄時(shí)，ESD脈沖可以很容易地從一條走線弧到另一條走線。與ESD上升時(shí)間相比，電弧發(fā)生得很慢，因此僅靠空氣火花間隙不能保護(hù)電路免受ESD的傷害。當(dāng)與附加抑制裝置一起使用時(shí)，專用火花間隙可以有效地限制ESD能量。

禁止使電纜屏蔽層與當(dāng)?shù)氐孛姘l(fā)生浮力。設(shè)計(jì)人員可能傾向于這樣做，以避免由于地電位的差異而產(chǎn)生循環(huán)電流。相反，交流電耦合接地，因此它們在ESD頻率下被短路。

結(jié)論

這里描述的技術(shù)不能完全消除ESD問題，但了解ESD的性質(zhì)和使用仔細(xì)的電路設(shè)計(jì)，將有助于防止其入侵。