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一种计算机串行接口保护电路的设计

TVS

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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IEC61000-4-2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

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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。

1.2ESD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

2.1TVS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.1Theprotectivecircuitsofserialinterfaces

3电路板的设计

3.1TVS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2TVS二极管的PCB板上的位置布置示意图

Fig.2ThesketchmapdispositionofTVSdiodesinthePCB

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