RS232收发器耐受10kV静电放电

用于手持计算机的RS232收发器可承受10kV静电放电

电池供电计算机和仪器仪表通常会受到严重的电气应力，这对串行通信接口提出了一些严格的要求。与以往一样，由电池供电意味着必须将功耗降至最低。收发器还必须能够耐受重复静电放电（ESD）脉冲，因为电缆连接经常与人体及其他带电物体接触。

凌力尔特公司的LT1237满足上述要求。LT1237是一个完整的RS232端口，包含三个驱动器、五个接收器和一个稳压电荷泵。其电源电流典型值为6mA，但该器件可通过两个独立的逻辑控制实现关断。驱动器禁用引脚可关闭电荷泵和驱动器，同时保持所有接收器处于激活状态，ISUPPLY= 4mA。ON/OFF引脚则关闭所有电路，仅保留一个微功耗接收器工作，ISUPPLY= 60uA。该激活的接收器可用于检测启动信号。LT1237的工作速率可达120kBd，并完全符合所有RS232规范。与RS232电缆的连接通过内部ESD结构提供保护，能够承受重复的±10kV人体模型静电放电脉冲。

图397.1·LT1237应用电路

图397.1·显示了一个典型应用电路。LT12377的直通引脚排列及其使用小型表面贴装电容的能力，有助于减小接口的整体占用空间。

与3V逻辑接口

手持计算机正在迅速转向3V逻辑以降低功耗。然而，系统中的其他部分仍使用高电压总线进行显示驱动和其他功能。 LT1330与LT1237功能等效，但可从5V工作，并带有独立逻辑电源，可直接与3V逻辑接口。（图397.2）

图397.2·LT1330中的接收器输出级由独立逻辑电源偏置，可轻松与3V系统接口

静电放电保护技术

尽管LT1237和LT13300的输入/输出引脚已受到保护，但在使用这些电路进行设计时，了解静电放电及其原因和解决方法仍然很有帮助。

通信接口设计计第27节

图397.3·静电放电脉冲的人体电路模型

由人体摩擦起电产生的静电放电通常是便携式计算机最棘手的问题。放电期间传递的能量通常表现为快速上升的高压脉冲并带有缓慢的指数衰减尾部。静电放电脉冲可以用图397.3所示的开关电路进行建模。静电放电产生的频率分量可高达GHz范围。在如此高的频率下，附近的电缆和PCB走线会像接收天线一样接收到静电放电噪声。

静电放电导致的电路损坏可能由以下三种效应引起：（1）大电流发热，会破坏结点或金属化层。（2）强烈的电磁场，会导致结点或薄氧化层击穿。（3）辐射噪声，会使电路进入无效或死锁状态。

任何消除电荷发生器、规避电荷转移或增强电路吸收能量能力的操作，都将提高电路对静电放电的耐受能力。由于消除普遍存在的电荷发生器和阻断电荷转移需要对电路的工作环境进行严格控制，因此难以实现。更实际的方法是通过屏蔽电路外壳，并在不使用时覆盖RS232端口的连接器，以限制静电放电的进入点。

另一种实用的解决方案是通过使用快速动作齐纳二极管或专用瞬态抑制器将RS232线路钳位到地，以提高收发器吸收能量的能力（图397.4）。分立式抑制器广泛可用，且极为有效。设计人员通常不愿意使用分立式抑制器，因为它们成本较高。其价格高达每引脚0.40美元，有时可能超过收发器本身的成本。

图397.4·较早的接口设计使用外部静电放电钳位器件

LT1237和LT13300在片上集成了用于分流静电放电能量的钳位电路。这些有源结构能够快速响应高于RS232信号但低于器件破坏性电平的正负信号。大电流流动的路径通过大面积的PN结，从而提高了吸收能量的能力。

注1：摩擦起电是由于物体之间摩擦而产生的电荷。

当发生放电时，如果收发器处于关闭或断电状态，产生的电流流动微不足道。在工作状态下，所产生的电流可能会使内部电路失偏，导致电路死锁。观察表明，这些非破坏性错误高度依赖于收发器的逻辑状态。循环电源可清除电路故障。
当需要非常高的静电放电保护级别时，可以使用外部LC滤波器（图397.5）将静电放电能量降低到收发器内部可安全耗散的范围内。

图397.5·外部LC滤波器可提供针对极高静电放电水平的保护，且成本低于分立式抑制器

PCB布局

通过静电放电钳位器件分流的能量仍可能引起问题，如果回流路径的阻抗足够大，从而产生显著的电压降。此类电压降可能会损坏共享公共回流线的未加保护的元件。因此，在PCB中包含一个低电感接地平面对于良好的静电放电保护至关重要。对于LT1237和LT1330，通过V-到地的交流接地通路也必须是低阻抗的。在主储能电容上并联数百皮法的低ESR电容可提供良好的交流地。

当使用分立式瞬态抑制器或滤波器时，应将元器件尽可能靠近连接器放置，并通过短路径连接至回流平面。应尽量增大电路板走线之间的间距。当走线间距较小时，静电放电脉冲很容易从一条走线电弧放电到另一条走线。与静电放电上升时间相比，电弧放电发生得较慢，因此仅靠空气火花间隙无法保护电路免受静电放电影响。专用火花间隙与额外的抑制器件配合使用时，可有效限制静电放电能量。

不要使电缆屏蔽层相对于本地地悬浮。设计人员可能倾向于这样做，以避免由于地电位差异引起的环流。相反，应将地进行交流耦合，使其在静电放电频率下短路。

结论

此处描述的技术无法完全消除静电放电问题，但了解静电放电的特性并采用谨慎的电路设计，有助于防止其侵入。