论文导读:：基于ESD保护的原理及TVS二极管的特性，设计了一种计算机串行接口的专用保护电路，并对电路板的PCB布线及器件的布置提出了一些原则要求，最后对此接口电路进行静电放电抗扰度试验。结果表明该保护电路具有一定的抗接触放电及空间放电能力，满足IEC 61000-4-2标准的要求，此串行接口具有热插拔功能。
关键词：ESD，TVS，保护电路，热插拔
在计算机通信系统中，不仅内部各种设备之间存在大量的实时数据的传输，而且与外部的一些设备之间也需要进行数据交换，因此计算机需要多种形式的接口，其中RS-422是一种比较常见的接口形式。由于计算机系统中存在多种设备，工作环境比较复杂，还有一些特殊的场合要求串行接口具有带电插拔功能，因此设计一种具有带保护功能的串行接口电路具有重要的现实意义和应用前景。
1ESD保护的原理
1.1ESD问题的产生
在更换接口电缆插头，或者直接用手及物体接触一个输入输出端口的过程中，静电放电(ESD) 问题就产生了。伴随着这种常见的事件而产生的静电放电可能会破坏一个或多个的接口IC芯片，甚至可能破坏电路板本身的走线，从而破坏了电路输入输出端口。这些损坏后果可能是很严重的，因为这一方面降低了产品的可靠性，另一方面增加了产品的保修成本。
1.2 ESD保护的原理
为了保护I/O接口器件TVS，提高电路板抗ESD放电能力，电路设计者既可以选择一个具有内置ESD保护的芯片，也可以设计一个外部保护电路。通常外部保护电路有两种，一种是选择一种金属氧化物变阻器，另一种选择硅雪崩电压抑制器，比如说TVS二极管。但是TVS管同金属氧化物变阻器相比，是一种更有效的保护器件。
2 串行接口保护电路的设计
2.1 TVS二极管的选择
在针对RS-422串口设计保护电路时，考虑到串口应用于复杂的环境，并需要带电热插拔功能，导致串口器件失效主要是静电放电及浪涌电流，一方面静电放电主要是由于人体或者物体带静电可能传到串行接口中毕业论文范文。另外一方面是在恶劣的环境中，由于电源输出电压的不稳定，可能产生浪涌电流。因此需要选择合适的TVS器件。
RS-422串口的工作电压是5V，则选择最大反向工作电压 V，则击穿电压选为：
 V；
 V；
首先选择TVS的型号，根据TVS选用原则及RS-422串口通讯的特点，选则了PROTECK公司的阵列TVS管，型号为：SM8LC05，其最大关断电压为5V，击穿电压为6V，箝位电压为9.8V，满足一般抗击ESD放电能力的标准。另外，SM8LC05具有抗8/20μs的800W浪涌电流能力。因此，保护电路采用此TVS器件，就具有较强的抗浪涌电流的能力。
SM8LC05是一个由四路TVS管通道组成，每一路保护通道由一个TVS二极管和一个普通二极管“背靠背”组成，可保护四路需要单向保护的数据线，也可保护两路需要双向保护的数据线。根据TVS管的特性，设计了RS-422串行接口的保护电路TVS，如图1所示，选择每路数据线双向保护，正反两方向保护ESD。
2.2 过流保护
当串口对外发送或接收电路与外部电路接通时，为了防止由于通讯回路的电阻过小，导致数据线上的电流过大而导致接口IC芯片损坏，串行接口的每根数据线上分别串接一个25欧姆的小电阻，减小回路电流，如图1所示。
2.3光电隔离保护
当内部串行接口与外部串行接口进行通讯时，为了防止由于外部电路的信号地波动，影响内部串行接口电路的正常工作，在接收和发送端器件的分别加上一个光电隔离器，这样实现内部电路信号地与外部电路信号地之间的电隔离，如图1所示。
图1 串行接口保护电路的原理图
Fig.1The protective circuits of serial interfaces
3 电路板的设计
3.1 TVS管在PCB上的位置
PCB 走线及器件的摆放位置是ESD 防护的一个关键要素，TVS器件应在进出PCB的所有位于I/O连接器上的串行接口数据线上使用。使TVS器件尽量接近噪声源，确保浪涌电压可以在脉冲耦合到邻近 PCB导线之前被箝位。另外，PCB应使用较短的TVS导线，减少浪涌能量的消耗。将敏感导线放在中心可避免处理过程中发生ESD。图2提供了PCB布局建议的实例，其中图a为不好的PCB示意图，图b为较好的PCB布局示意图。
图2 TVS二极管的PCB板上的位置布置示意图
Fig.2The sketch map disposition of TVS diodes in the PCB
3.2 接地选择
若条件允许，保护电路应将浪涌电压分流到电源地或机壳接地，假如将浪涌电流直接分流到集成电路的信号地会引起接地反弹。用相对短和宽的接地导线减小阻抗可以改善单个接地PCB上TVS二极管的篏位性能。图3-a中是将TVS管的反向端接到需要保护数据线，另一端接机壳地或电源地。图b中，考虑到串口收发端采用的是隔离地，它和电路板内部的信号地是隔离的，故将TVS管的正端接隔离地后，须通过一个小电容将隔离地和机壳地连接起来；当有TVS管瞬间导通时，瞬时电流经电容C流到机壳地上，从而保护了IC芯片及电路；当TVS管不导通时，隔离地和机壳地是不导通的TVS，这就避免了隔离地受到机壳地波动的干扰。
图3 TVS二极管接地的选择
Fig.3the earth connection ways of TVS
4抗扰度试验
4.1 实验原理与标准
为保证ESD测试的一致性，应采用图4所示的标准测试电路，它也是人体模式和IEC61000-4标准测试电路原理框图，表1为测试电路各元件的值毕业论文范文。
图4 静电放电抗扰度试验原理图
Fig.4 principal of ESD experiments
表1 测试电路元件值
Table.1 elements’ value of the test circuit
目前国际上使用最为普遍的电子设备ESD试验标准是1997 年制定的IEC61000-4-2，这个标准将试验分为五个严酷度等级, 并按放电方式分别给出二个系列试验电压值, 其中接触放电的电压相应为2、4、6、8、XkV，空间放电的电压系列为2、4、8、16 和XkV。
4.2 试验方案与数据
一个有效的ESD测试应在最高测试电压以内的整个电压范围进行。人体模型和IEC61000-4-2标准规定在测试电压范围内必须以200V为一个间隔进行测试，而且要同时测试正负电压。对IC的所有可能的工作模式都应分别进行完整的ESD测试，包括上电工作状态和断电停机状态。如果串行接口器件有自动关断休眠模式，还应对这一状态再进行一次ESD测试。所有相关的测试标准和程序都规定，在每个测试电压点，对被测引脚应连续放电10次。
完成电路的设计、焊装后，对RS-422串口的两端按照上述方案进行测试，实验测试点如图5所示。经过测试，实验结果如表2。
图5 试验测试点位置示意图
Fig.5 test positions of the experiment
表2 试验结果
Fig.2 results of the experiments
5 结论
经过静电放电的抗扰度试验，表明RS-422串行接口在加上保护电路后，可以抵抗8kV的接触ESD放电电压及16kV的非接触ESD放电电压，同时也表明该接口电路具有热插拔能力。这种具有带保护功能的串行接口电路在计算机通信系统中具有重要的现实意义和应用前景。同时，这种保护电路的设计方法也对其他接口的保护电路的设计也具有一定的参考意义。
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