片上集成TVS器件保護總線接口芯片

導語：

物聯網組網將使得數據通信量驟增，而室外組網的高嚴苛和高噪聲環境對數據傳輸的可靠性提出了更高的要求。因靜電而造成的瞬態過壓將影響數據傳輸的正確性，甚至損壞總線數據收發芯片。本文以RS485總線接口芯片為例，講述內置TVS器件保護總線接口芯片方法。

正文：

2008年金融危機提出的物聯網概念預計10年內可能大規模普及，這一技術將會發展成為一個上萬億美元規模的高科技市場。物聯網組網將使得數據通信量驟增，而室外組網的高嚴苛和高噪聲環境對數據傳輸的可靠性提出了更高的要求。因靜電而造成的瞬態過壓將影響數據傳輸的正確性，甚至損壞總線數據收發芯片。

電力載波通信抄表系統基于RS485協議構建的長距離通訊網絡一般架設在室外，一條總線連接數十至數百個RS485收發器，常因雷電產生浪涌電流導致在線數百個RS485收發器損壞。如圖1所示是RS485數據總線的浪涌防護方案，氣體放電管GDT作為第一級雷擊浪涌保護，自恢復保險絲PPTC限浪，TVS做二次限壓，其中，TVS1做差模防護，TVS2、3作共模防護，從而達到保護RS485芯片的目的。在電路板布局時要求TVS與后端電路RS485芯片和地盡量靠近，以避免泄放速度不夠而造成芯片損壞。

圖1  RS485數據總線的浪涌防護方案

外加分立TVS器件，其一將增加電子系統體積，增加系統成本；其二即便器件本身標稱防護等級足夠高，但若未慎重考慮TVS在印制電路板上的放置位置和走線，則會因板上寄生而造成泄放不及時損毀芯片；其三外置TVS器件需與片內ESD配合設計，若片內ESD不能有效泄放殘壓，同樣會降低系統可靠性。

湖南靜芯微電子技術有限公司根據RS485接口芯片總線端口接觸放電15kV的保護需求，研制了片上集成的TVS器件結構，實現了此器件在RS485接口芯片的片內集成。TVS器件內置避免了印制電路板上的寄生，同時TVS器件依據總線接口需求配合ESD定制設計，有效提高系統可靠性。

如圖2所示為RS485芯片總線接口引腳的靜電泄放路徑，設計需要考慮：（1）全芯片的ESD防護網絡；（2）TVS器件與驅動輸出管ESD窗口的配合；（3）泄放大部分電流能量的TVS器件結構；（4）TVS器件與內核電路的工藝兼容性；（5）輸出級的版圖畫法。

圖2 總線接口的的靜電泄放路徑

如圖3所示為我司研制的RS485芯片總線接口適用的內置TVS器件及其TLP測試曲線，如圖4所示為TVS器件在芯片內的集成。

圖3總線接口芯片適用的內置TVS器件及其TLP測試曲線

圖4  TVS器件在芯片內的集成

湖南靜芯微電子技術有限公司經過五年的工作積累，對ESD/TVS器件進行專業設計，開發成功接口芯片適用的內置TVS器件，達到IEC61000-4-2標準接觸放電15kV，高于行業常規IEC61000-4-2 level4 8kV。本司具備總線接口芯片內置TVS器件的設計開發經驗，直接選用本司ESD/TVS器件或委托定制開發，可有效提升客戶數據傳輸系統的靜電可靠性。