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Linear Technology LT1237 RS232收發器為手持電腦承受10kV ESD的介紹、特性、及應用

來源: hqbuy
2024-01-31
類別:基礎知識
eye 26
文章創建人 拍明芯城

電池供電的計算機和儀器經常受到嚴重的電應力,這對串行通信接口提出了一些嚴格的要求。與往常一樣,使用電池操作要求最小的功耗。收發器還必須承受重復性靜電放電(ESD)脈沖,因為電纜連接經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是一個完整的RS232端口,具有三個驅動器,五個接收器和一個調節電荷泵。電源電流通常為6mA,但設備可以通過兩個單獨的邏輯控制關閉。驅動器禁用引腳關閉電荷泵和驅動器-使所有接收器活動,I(SUPPLY) = 4mA。ON/OFF引腳關閉除一個微功率接收器外的所有電路,I(SUPPLY) = 60μA。主動接收器用于檢測啟動信號。LT1237工作高達120k波特,完全符合所有RS232規范。RS232電纜連接處采用內部ESD結構保護,可承受±10kV人體模型重復性ESD脈沖。

圖1顯示了一個典型的應用電路。LT1237通過引腳的流動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。

圖1所示 LT1237應用電路。

接口與3V邏輯

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

圖2 LT1330的接收器輸出級由單獨的邏輯電源偏置,易于與3V系統接口。

ESD防護技術

盡管LT1237和LT1330上的I/O引腳受到保護,但在設計這些電路時,對靜電放電及其原因和補救措施的基本了解是有幫助的。

人體摩擦充電產生的靜電放電(ESD)往往是便攜式計算機最棘手的問題。(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,并伴有緩慢的指數尾。ESD脈沖可以用圖3所示的開關電路建模。ESD提供的頻率分量很好地進入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。

圖3 ESD脈沖人體電路模型。

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

任何消除電荷發生器、規避電荷轉移或增強電路吸收能量的能力的動作,都會增加電路對ESD的容錯。消除無處不在的電荷發生器和破壞電荷轉移是一項艱巨的任務,因為它們需要嚴格控制電路的運行環境。一種更實用的方法是通過屏蔽電路的外殼和在不使用時覆蓋RS232端口的連接器來限制ESD入口點。

另一種實用的補救方法是通過使用速效雪崩二極管或專用瞬態抑制器將RS232線箝位到地來增加收發器吸收能量的能力(圖4)。離散抑制器廣泛使用并且非常有效。設計人員通常不愿意使用離散抑制器,因為它們很昂貴。每個引腳的成本高達0.40美元,有時甚至超過了收發器的成本。

圖4 舊的接口設計使用外部ESD夾。

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

當放電發生時,當收發器關閉或斷電時,產生的電流是微不足道的。當操作時,產生的電流可能使內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器的邏輯狀態。循環電源清除電路。

當需要非常高水平的ESD保護時,可以使用外部LC濾波器(圖5)將ESD能量降低到可以在收發器內安全消散的范圍內。

圖5 外部LC濾波器提供非常高水平的ESD保護,但成本低于分立抑制器。

PC板布局

如果返回路徑的阻抗大到足以產生相當大的電壓降,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元件。因此,在PC板中包括一個低電感接地平面對于良好的ESD保護至關重要。對于LT1237和LT1330,通過V -到地的交流路徑也必須是低阻抗的。在主存儲電容并聯上增加幾百皮量級的低ESR電容,可提供良好的交流接地。

當使用離散的瞬態抑制器或濾波器時,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。當走線間距較窄時,ESD脈沖可以很容易地從一條走線弧到另一條走線。與ESD上升時間相比,電弧發生得很慢,因此僅靠空氣火花間隙不能保護電路免受ESD的傷害。當與附加抑制裝置一起使用時,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地地面發生浮力。設計人員可能傾向于這樣做,以避免由于地電位的差異而產生循環電流。相反,交流電耦合接地,因此它們在ESD頻率下被短路。

結論

這里描述的技術不能完全消除ESD問題,但了解ESD的性質和使用仔細的電路設計,將有助于防止其入侵。


責任編輯:David

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