DN64: 适用于手持式计算机的RS232收发器可承受10kV ESD

电池供电的计算机和仪器仪表经常要承受很高的电气应力，这对串行通信接口提出了非常严格的要求。与所有电池供电设备一样，尽量降低功耗是关键要求。收发器还必须耐受重复性静电放电(ESD)脉冲，因为线缆连接经常与人体和其他带电物体接触。

凌力尔特的LT1237能够满足上述要求。LT1237是一款完整的RS232端口，具有三个驱动器、五个接收器和一个稳压电荷泵。电源电流典型值为6mA，但可通过两个单独的逻辑控制机制关断。驱动器禁用引脚可关闭电荷泵和驱动器，让所有接收器保持活动状态， I_SUPPLY = 4mA。ON/OFF引脚可关断除一个微功耗接收器之外的所有电路， I_SUPPLY = 60μA。有源接收器可用于检测启动信号。LT1237运行速度高达120kBaud，完全符合所有RS232规范。RS232线缆连接由内部ESD结构加以保护，可承受重复性的±10kV人体模型ESD脉冲。

图1所示为典型应用电路。LT1237采用直通式引脚排列，并支持使用小型表贴电容，从而有助于减小接口的整体尺寸。

与3V逻辑器件对接

手持式计算机正在迅速转向3V逻辑器件以节省功耗。然而，系统中的其他地方仍需使用更高电压总线，以驱动显示和其他功能。LT1330在功能上与LT1237等效，但它采用5V电压供电，并配有单独的逻辑电源，可直接与3V逻辑对接。（图2）

ESD 保护技术

尽管LT1237和LT1330上的I/O引脚受到保护，但在使用这些电路进行设计时，对静电放电、发生原因和补救措施有基本了解依然是有益的。

人体摩擦起电产生的ESD往往是便携式计算机最棘手的问题¹。放电过程中释放的能量通常表现为快速上升的高压脉冲，并伴随一个呈指数规律缓慢衰减的尾部。ESD脉冲可利用图3所示的开关电路来建模。ESD产生的频率分量可达到GHz级别。在这样的频率下，附近的线缆和PCB走线看起来就像是ESD噪声的接收天线。

ESD对电路的损害源于以下三种效应：(1)大电流热效应，烧毁结点或金属层。(2)强电磁场，击穿结点或薄氧化层。(3)辐射噪声，使电路进入无效或锁定状态。

任何能够消除电荷产生因素、绕开电荷传输路径或增强电路吸收能量能力的措施，都会提高电路对ESD的耐受力。消除无处不在的电荷产生因素和破坏电荷转移是非常艰巨的任务，需要严格控制电路的工作环境。更实用的方法是屏蔽电路外壳，并在RS232端口不使用时覆盖其连接器，从而限制ESD入口点。

另一种实用的补救措施是利用快速响应雪崩二极管或专用瞬态抑制器将RS232线路箝位到地，从而提高收发器吸收能量的能力（图4）。分立抑制器易于获取且极其有效。但是，分立抑制器价格昂贵，设计人员通常不愿意使用。每个引脚的保护成本高达0.40美元，有时甚至超过收发器的成本。

LT1237和LT1330集成了用于转移片上ESD能量的箝位电路。这些有源结构能够快速响应处于阈值电压（高于RS232信号电平，但低于器件的破坏性电平）的正信号或负信号。大电流会流经大的PN结，这会提高吸收能量的能力。

当发生放电时，如果收发器已关闭或断电，产生的电流将不会造成明显影响。而如果收发器正在运行，产生的电流可能会使内部电路失偏并锁定电路。观察表明，这些非破坏性错误很大程度上取决于收发器的逻辑状态。断电重启后可清除电路错误。

当需要非常高水平的ESD保护时，可以使用外部LC滤波器（图5），将ESD能量降至收发器内部可以安全消散的范围内。

PCB 布局

如果回流路径的阻抗较大，足以产生相当可观的电压降，则通过ESD箝位进行分流的能量仍然会造成问题。这种电压降可能会损坏共用公共回流线但未受保护的元件。因此，在PCB中引入低电感接地层对于实现良好的ESD保护至关重要。对于LT1237和LT1330，流经V-的交流接地路径也必须是低阻抗。添加几百皮法的低ESR电容与主储能电容并联，可提供良好的交流接地。

使用分立瞬态抑制器或滤波器时，应将元件放置在尽可能靠近连接器的位置，并通过较短路径连接到回流层。电路板走线之间的间距应尽可能宽。如果走线之间的间距很窄，ESD脉冲很容易因电弧效应而从一条走线跳到另一条走线。与ESD上升时间相比，电弧产生的速度较慢，因此单靠空气火花间隙无法保护电路免受ESD的侵害。专用火花间隙与其他抑制器件配合使用时，可有效限制ESD能量。

禁止让线缆屏蔽层相对于本地接地悬空。设计人员可能倾向于这样做，以避免地电位差导致环流。然而，应通过交流耦合方式接地，使其在ESD频率下短路。

结语

本文介绍的技术无法完全消除ESD问题，但了解ESD的性质并精心设计电路，将有助于防范ESD。

作者

Sean Gold