Maxim RS-232收發(fā)器的重要特性

本文介紹了多個(gè)具有獨(dú)立和/或重疊特性的系列：通過使用內(nèi)部電荷泵僅 5V 工作電壓，使用高效內(nèi)部電荷泵僅 3V 工作電壓，不使用時(shí)自動關(guān)斷至 1μA 電源電流，并在接收信號時(shí)自動喚醒，±15kV ESD 保護(hù)，高效驅(qū)動器可節(jié)省 50% 的功耗，和/或可控的 DTE 或 DCE 功能，無需特殊的零調(diào)制解調(diào)器電纜。對IEC 801-2測試方法進(jìn)行了處理，并提供了ESD測試注意事項(xiàng)的列表。

Maxim率先將電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器用于RS-232接口IC，目前已提供超過54種此類產(chǎn)品。Maxim的首批產(chǎn)品工作電壓為+5V，輸出功率大于RS-5標(biāo)準(zhǔn)要求的±232V。新產(chǎn)品具有改進(jìn)，例如 3V 工作電壓（僅使用 0 個(gè) 1.15μF 外部電容器）、±1kV ESD 保護(hù)和 <>μA 空載電源電流。

許多數(shù)字系統(tǒng)已轉(zhuǎn)向3V工作，以增加密度，同時(shí)降低功耗。Maxim推出了工作在232.3V和0.3V的RS-3接口IC，其中許多IC僅使用0個(gè)1.1μF電容（表<>）。

表 1.3V 和 3.3V RS-232 IC

*接收器已禁用

Maxim是唯一一家同時(shí)使用人體模型和IEC 232-15氣隙放電方法（見側(cè)欄）指定并實(shí)現(xiàn)±801kV ESD保護(hù)的RS-2 IC制造商。Maxim的擴(kuò)展ESD保護(hù)功能消除了對TransZorb?等昂貴外部保護(hù)器件的需求，同時(shí)防止了代價(jià)高昂的現(xiàn)場故障。

為了進(jìn)一步簡化RS-232應(yīng)用，Maxim最近推出了收發(fā)器，該收發(fā)器在不使用時(shí)自動關(guān)斷，將電源電流降低至1μA，比其他器件提高了一千倍。此操作有助于延長便攜式設(shè)備（如筆記本電腦、掌上計(jì)算機(jī)和條形碼掃描儀）的電池壽命。

內(nèi)部數(shù)控開關(guān)將Maxim RS-232收發(fā)器從DTE端口（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）轉(zhuǎn)換為DCE端口（數(shù)據(jù)通信設(shè)備），也簡化了應(yīng)用。

轉(zhuǎn)向 3V 操作

筆記本電腦和其他便攜式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓正在迅速變?yōu)?V。為了滿足這一市場的需求，許多5V RS-232器件已被重新定性為3V工作。雖然這些器件不會產(chǎn)生RS-5通信所需的±232V輸出擺幅，但它們確實(shí)滿足EIA/TIA-562對±3.7V輸出擺幅的要求。EIA/TIA-562可與RS-232互操作，但其輸出電壓不足以為鼠標(biāo)供電，鼠標(biāo)的微控制器在5V時(shí)通常需要5mA電流。

為了克服這些重新表征器件的局限性，Maxim開發(fā)了MAX3241系列3V收發(fā)器，具有低靜態(tài)電流、驅(qū)動鼠標(biāo)的能力、部分（或全部）接收器處于活動狀態(tài)的低功耗待機(jī)模式、直通引腳排列和工作頻率高達(dá)230kbaud（支持高速調(diào)制解調(diào)器）。

獨(dú)特的輸出級功耗降低 50%

Maxim在開發(fā)3V器件方面的關(guān)鍵創(chuàng)新是驅(qū)動器輸出結(jié)構(gòu)，從輸入到輸出的壓降非常低。低壓降很重要，因?yàn)?.3V RS-232收發(fā)器的理想DC/DC轉(zhuǎn)換器是容性倍壓器。一個(gè)完美的倍增器將為6V最小輸入產(chǎn)生3V的電壓，而驅(qū)動器輸出級和DC/DC轉(zhuǎn)換器本身的損耗僅剩1V。

此外，理想RS-232收發(fā)器的輸出擺幅為±5V，容差為零。至少需要 ±5V 以符合 RS-232 規(guī)范，但任何高于 5V 或低于 -5V 的擺幅都會浪費(fèi)功率。因此，無論輸入電壓如何，MAX3241系列成員都可以將其內(nèi)部倍壓DC/DC轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)至5.4V，剛好足以在覆蓋驅(qū)動器輸出級200mV壓降后提供安全裕度。其結(jié)果是標(biāo)稱 3.3V 電源軌下的功耗最小。

一個(gè)理想的（無損）容性倍壓器，非穩(wěn)壓，在一個(gè)6.6V輸入時(shí)產(chǎn)生3.3V，在10V輸入時(shí)產(chǎn)生5V電壓。因此，具有內(nèi)部232V倍頻器的RS-5收發(fā)器會浪費(fèi)其輸出（5V）和RS-10標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所需±5V之間的232V差。因此，內(nèi)部3.3V倍增器僅浪費(fèi)1.6V，效率更高。

類似地，理想的3.3V容性三倍頻器產(chǎn)生9.9V電壓。所需輸出為5V，因此總效率僅為5/9.9 （51%）。比較3.3V倍頻器與3.3V三倍頻器的另一種方法是，RS-1負(fù)載每消耗232mA電流，倍增器消耗2mA電流（來自3.3V電源），而三倍頻器必須吸收3mA電流。因此，當(dāng)高速驅(qū)動長RS-3電纜的容性負(fù)載時(shí)，3.232V倍增器節(jié)省的功率甚至更大（圖1）。

圖1.MAX3241 （帶倍壓器）的功耗僅為基于三倍電壓器的競爭器件的一半。另請注意，MAX3241在數(shù)據(jù)速率的四倍時(shí)保持有效的RS-232輸出電平。

RS-232驅(qū)動器還必須提供輸出電流，以驅(qū)動與線路遠(yuǎn)端RS-3接收器相關(guān)的輸入電阻（7kΩ至232kΩ），以及負(fù)載電容的充電和放電（RS-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高達(dá)5.232nF）。該充電/放電電流隨頻率增加，在80k位/秒（40kHz）的數(shù)據(jù)速率下超過阻性電流。因此，高數(shù)據(jù)速率下的倍壓器可以節(jié)省更多功率。

自動關(guān)斷—理想的RS-232 IC

大多數(shù)便攜式系統(tǒng)中的RS-232端口僅在通電的一小部分時(shí)間內(nèi)發(fā)送和接收;其余時(shí)間可能會不必要地浪費(fèi)電力。因此，理想的RS-232收發(fā)器應(yīng)在不發(fā)送或接收時(shí)自行關(guān)閉。

早期用于便攜式系統(tǒng)的RS-232 IC提供了一個(gè)關(guān)斷引腳，但結(jié)果是完全關(guān)斷（深度睡眠），芯片無法檢測傳入數(shù)據(jù)。因此，下一步是提供在關(guān)斷期間保持活動狀態(tài)的接收器。

理論上，如果操作系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)难舆t后沒有看到傳入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或狀態(tài)線更改，則可以關(guān)閉RS-232端口。但是延遲周期的選擇存在一個(gè)問題——如果你碰巧在數(shù)據(jù)突發(fā)開始時(shí)斷電，你可能會錯(cuò)過數(shù)據(jù)，你可能會錯(cuò)過一些喚醒系統(tǒng)并啟動上電的數(shù)據(jù)。由于這些原因，設(shè)計(jì)人員很少通過重寫B(tài)IOS/操作系統(tǒng)來引入監(jiān)視延遲。

Maxim工程師在設(shè)計(jì)新型RS-232收發(fā)器時(shí)有以下目標(biāo)：

僅在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)使用電源。

在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)目標(biāo) #1。

在不增加成本的情況下實(shí)現(xiàn)目標(biāo) #1。

一種顯而易見的方法是包括一個(gè)定時(shí)器，該定時(shí)器在所需的時(shí)間間隔后關(guān)斷IC。但這通過增加模具面積來阻礙目標(biāo) #3。更好的解決方案是監(jiān)控所有輸入數(shù)據(jù)線的有效RS-232信號電壓水平。所有接收器輸入都將接近地電位，例如，如果RS-232端口未連接或遠(yuǎn)端收發(fā)器關(guān)閉。無論哪種方式，缺乏有效信號電平都會導(dǎo)致芯片自動進(jìn)入關(guān)斷模式，從而將典型的空載電源電流減小至 1μA。

Maxim最近推出了四款具有自動關(guān)斷功能的器件（表2）。大多數(shù)包括一個(gè)輸出（有效的RS-232），該輸出向系統(tǒng)處理器指示電纜的另一端是否連接了活動的RS-232端口。MAX3212更進(jìn)一步;它包括一個(gè)轉(zhuǎn)換檢測電路，其鎖存輸出作為中斷施加，可以在任何輸入線路上發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)喚醒系統(tǒng)。

表 2.具有自動關(guān)斷電路的RS-232收發(fā)器

要了解自動關(guān)斷的優(yōu)勢，請將Maxim早期RS-232收發(fā)器的電源電流與自動關(guān)斷收發(fā)器的電源電流進(jìn)行比較：

自動關(guān)斷器件具有強(qiáng)制開機(jī)//強(qiáng)制關(guān)斷控制（

圖 2

），可覆蓋自動電路并強(qiáng)制收發(fā)器進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)或正常工作狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)控制均未置位時(shí)，IC會自動在這些狀態(tài)之間進(jìn)行選擇。因此，系統(tǒng)無需更改現(xiàn)有 BIOS/操作系統(tǒng)即可節(jié)省電量。

圖2.MAX3223收發(fā)器系列兼具易用性（自動關(guān)斷）和靈活的超控控制功能，可強(qiáng)制IC關(guān)斷或正常工作。

一個(gè) IC 中的 DTE/DCE 消除了零調(diào)制解調(diào)器

RS-232收發(fā)器還可以在兩種標(biāo)準(zhǔn)配置之間切換：DTE端口和DCE端口。最常見的示例是連接到外部調(diào)制解調(diào)器（DCE 端口）的啞終端或個(gè)人計(jì)算機(jī)（DTE 端口）。對于這種情況，連接電纜提供直通的 1 對 1 連接。同樣，打印機(jī)的串行電纜設(shè)計(jì)為插入計(jì)算機(jī)端的 DTE 端口。

但是，如果必須將兩臺計(jì)算機(jī)連接在一起，則會出現(xiàn)問題。兩者都是 DTE，因此標(biāo)準(zhǔn) DTE 到 DCE 電纜不起作用。通常的解決方案是使用特殊的 LapLink? 電纜或?qū)⑵渲幸粋€(gè) DTE 端口轉(zhuǎn)換為 DCE 的“空調(diào)制解調(diào)器”。零調(diào)制解調(diào)器只不過是兩個(gè)背靠背連接器，其中各種電線轉(zhuǎn)置。最常見的零調(diào)制解調(diào)器類型完全由單芯片（MAX214）實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部電路（在單個(gè)邏輯電平輸入的控制下）執(zhí)行所有必要的接線轉(zhuǎn)換。

Maxim實(shí)現(xiàn)業(yè)界最高的ESD保護(hù)：±15kV

防護(hù)等級符合人體模型和IEC 801-2氣隙放電方法

ESD（靜電放電）在每次有人更換電纜或觸摸I / O端口時(shí)都會威脅到電子系統(tǒng)。伴隨這些常規(guī)事件的放電會破壞連接到端口的一個(gè)或多個(gè)接口 IC，從而使 I/O 端口無用。這些故障在保修維修和感知質(zhì)量方面都可能很昂貴。

ESD可能會對制造商造成進(jìn)一步的損害，因?yàn)槿绻O(shè)備制造商的設(shè)備未能達(dá)到IEC 801-2規(guī)定的最低ESD性能水平，則設(shè)備制造商可能很快就會被禁止向歐洲共同體銷售產(chǎn)品。

這兩個(gè)因素促使Maxim開發(fā)了具有±232kVESD保護(hù)的RS-15系列產(chǎn)品（表A）。這些接口 IC 是唯一使用人體模型和 IEC 15-801 氣隙放電方法指定并實(shí)現(xiàn) ±2kV ESD 保護(hù)的接口 IC。Maxim的高ESD保護(hù)功能消除了對TransZorb等昂貴的外部保護(hù)器件的需求，同時(shí)防止了昂貴的現(xiàn)場故障。

表 A. 具有 ±232kV ESD 保護(hù)的 RS-15 接口 IC

較舊的 ESD 測試方法

測試集成電路的ESD敏感性通常有兩種方法。最古老的是MIL標(biāo)準(zhǔn)3015（也稱為人體模型）的7.883方法，旨在幫助制造商了解封裝和處理IC所需的預(yù)防措施。該方法針對所有其他引腳測試每個(gè)封裝引腳，并根據(jù)發(fā)生第一次故障的電壓（通常在最易受ESD影響的引腳上）對器件進(jìn)行分類。施加的ESD波形來自稱為人體模型的電路（圖A）。電容（100pF）模擬人體的電容，電阻（1500Ω）模擬包括人體、IC和地的放電路徑中的典型串聯(lián)電阻。

圖A.大多數(shù)ESD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相同的測試電路，但具有不同的元件值。

另一種方法是EIAJ方法IC-121（也稱為機(jī)器模型）應(yīng)用類似于IC與自動處理設(shè)備接觸時(shí)產(chǎn)生的波形。該方法由日本電子工業(yè)協(xié)會（EIAJ）開發(fā)，也使用圖A的設(shè)置，但R1和C1的值不同。電阻代表人拿著螺絲刀等金屬物體，電容是人體的電容。對于生成的波形，上升和下降時(shí)間比人體模型的上升和下降時(shí)間更陡峭。

這兩種方法是互補(bǔ)的，因此不應(yīng)選擇其中一種方法。由于ESD會在制造過程中、印刷電路板組裝期間以及最終產(chǎn)品投入使用后影響IC，因此應(yīng)基于這兩種方法進(jìn)行測試，以充分保證IC對制造和插入的嚴(yán)格要求具有耐受性。

但是，這兩種方法都無法準(zhǔn)確評估與外界連接的IC的可靠性。這兩種方法都根據(jù)任何引腳上的最低電壓故障對IC進(jìn)行評級，如果器件包含I/O引腳，則這不是一個(gè)充分的測試。I/O引腳通常需要（并且通常具有）比其他引腳更高水平的ESD保護(hù)。

例如，IC的I/O引腳可能承受±15kV，而其他引腳只能承受±2kV。因此，上述兩種方法的額定電壓僅為±2kV。為了解決這個(gè)問題，制造商正在使用一種較新的測試方法 - IEC 801-2（由歐洲共同體開發(fā)的測試） - 用于對RS-232 IC和其他直接連接到“外部世界”的設(shè)備進(jìn)行評級。因此，成功完成IEC 801-2可能很快成為在歐洲銷售設(shè)備的必要條件。

較新的ESD測試方法

雖然IEC 801-2最初旨在作為歐洲的設(shè)備級測試，但現(xiàn)在已在全球范圍內(nèi)獲得認(rèn)可，成為終端設(shè)備用戶可獲得的IC引腳最合適的ESD測試。與前兩種方法不同，IEC 801-2方法僅測試I / O引腳。因此，采用這種方法的器件ESD額定值完全取決于其I/O引腳提供的保護(hù)。

IEC 801-2 規(guī)定通過接觸放電或氣隙放電進(jìn)行 ESD 測試。委員會更喜歡接觸放電，盡管這是一種妥協(xié)。由實(shí)際接觸引起的ESD事件更具可重復(fù)性，但不太現(xiàn)實(shí)。氣隙放電更真實(shí)，但幅度根據(jù)溫度、濕度、氣壓、距離和與 IC 的閉合速率而變化很大。

IEC 801-2 根據(jù) I/O 引腳承受的最低-最大電壓定義了四個(gè)一致性級別（表 B）。這些液位同時(shí)適用于接觸式和氣隙放電。Maxim的IC滿足接觸和氣隙放電的最高等級（四級），是唯一達(dá)到這一保護(hù)水平的RS-232 IC。

表 B. IEC 801-2 合規(guī)級別

測試IC的ESD耐用性需要使用“ESD槍”。該噴槍允許使用接觸或氣隙放電進(jìn)行測試。接觸放電需要在施加測試電壓之前，噴槍和IC之間的物理接觸。另一方面，氣隙放電要求噴槍在接近IC之前（從垂直方向，并盡可能快地）用測試電壓充電。第二種技術(shù)在距離測試單元的某個(gè)臨界距離處產(chǎn)生火花。

氣隙放電產(chǎn)生的ESD類似于實(shí)際的ESD事件。但是，與實(shí)際的ESD一樣，氣隙放電種類不容易復(fù)制。它取決于許多不容易控制的變量。因此，IEC 801-2 推薦使用接觸放電技術(shù)，證明了可重復(fù)性在測試中的普遍重要性。在任何一種情況下，測試程序都要求在每個(gè)測試級別至少放電十次。

ESD 測試的注意事項(xiàng)

做使用標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備。ESD測試中的可重復(fù)性已經(jīng)足夠困難了，因?yàn)樗粫ㄟ^自制設(shè)置引入額外的未知因素。對于IEC 801-2測試，Maxim使用Schaffner的NSG 435 ESD噴槍。為了測試MIL-STD-883方法3015.7，Maxim使用IMCS的4000型測試儀。

做在ESD測試之前和之后，對被測器件執(zhí)行一套完整的參數(shù)測試。ESD通常會導(dǎo)致災(zāi)難性故障，但它也可能引入微妙和潛在的損壞，這些損壞后來表現(xiàn)為現(xiàn)場故障。尤其應(yīng)密切監(jiān)測泄漏電流，以檢測這種損壞。

做測試ESD電壓的整個(gè)范圍（不僅僅是上限）。許多ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)可以承受保證的最高ESD電壓，但在較低水平上失效。Maxim測試每個(gè)器件引腳，從200V開始，以200V為增量，直到發(fā)生故障或達(dá)到ESD測試儀的限值。

做要求性能達(dá)到所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如，MIL-STD-883模擬IC在組裝和分配（運(yùn)輸）過程中遇到的ESD。IEC 801-2僅適用于連接在本地系統(tǒng)外部的引腳，可模擬終端設(shè)備中可能發(fā)生的ESD事件。

做在通電和關(guān)機(jī)的情況下執(zhí)行 IEC 801-2 測試。一些競爭IC，包括雙極性和CMOS，在通電時(shí)受到ESD事件的影響時(shí)會出現(xiàn)SCR鎖存。SCR 閂鎖會導(dǎo)致破壞性電源電流。即使不是破壞性的，閂鎖通常也會阻止正常工作，直到通過關(guān)閉IC的電源將其移除。

不要誤用標(biāo)準(zhǔn)。一些標(biāo)準(zhǔn)涉及分銷和制造過程中所有引腳的存活;其他方法僅解決終端設(shè)備中可從外部訪問的引腳的生存問題。

不要相信未經(jīng)證實(shí)的聲明，這些聲明不會提供有關(guān)所用測試設(shè)備或程序的信息。

不要假設(shè)雙極IC本質(zhì)上優(yōu)于CMOS IC，反之亦然。重要的是應(yīng)用程序中的實(shí)際性能。

審核編輯：郭婷