片上集成TVS器件保护总线接口芯片

导语：

物联网组网将使得数据通信量骤增，而室外组网的高严苛和高噪声环境对数据传输的可靠性提出了更高的要求。因静电而造成的瞬态过压将影响数据传输的正确性，甚至损坏总线数据收发芯片。本文以RS485总线接口芯片为例，讲述内置TVS器件保护总线接口芯片方法。

正文：

2008年金融危机提出的物联网概念预计10年内可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿美元规模的高科技市场。物联网组网将使得数据通信量骤增，而室外组网的高严苛和高噪声环境对数据传输的可靠性提出了更高的要求。因静电而造成的瞬态过压将影响数据传输的正确性，甚至损坏总线数据收发芯片。

电力载波通信抄表系统基于RS485协议构建的长距离通讯网络一般架设在室外，一条总线连接数十至数百个RS485收发器，常因雷电产生浪涌电流导致在线数百个RS485收发器损坏。如图1所示是RS485数据总线的浪涌防护方案，气体放电管GDT作为第一级雷击浪涌保护，自恢复保险丝PPTC限浪，TVS做二次限压，其中，TVS1做差模防护，TVS2、3作共模防护，从而达到保护RS485芯片的目的。在电路板布局时要求TVS与后端电路RS485芯片和地尽量靠近，以避免泄放速度不够而造成芯片损坏。

图1 RS485数据总线的浪涌防护方案

外加分立TVS器件，其一将增加电子系统体积，增加系统成本;其二即便器件本身标称防护等级足够高，但若未慎重考虑TVS在印制电路板上的放置位置和走线，则会因板上寄生而造成泄放不及时损毁芯片;其三外置TVS器件需与片内ESD配合设计，若片内ESD不能有效泄放残压，同样会降低系统可靠性。

湖南静芯微电子技术有限公司根据RS485接口芯片总线端口接触放电15kV的保护需求，研制了片上集成的TVS器件结构，实现了此器件在RS485接口芯片的片内集成。TVS器件内置避免了印制电路板上的寄生，同时TVS器件依据总线接口需求配合ESD定制设计，有效提高系统可靠性。

如图2所示为RS485芯片总线接口引脚的静电泄放路径，设计需要考虑：(1)全芯片的ESD防护网络;(2)TVS器件与驱动输出管ESD窗口的配合;(3)泄放大部分电流能量的TVS器件结构;(4)TVS器件与内核电路的工艺兼容性;(5)输出级的版图画法。

图2 总线接口的的静电泄放路径

如图3所示为我司研制的RS485芯片总线接口适用的内置TVS器件及其TLP测试曲线，如图4所示为TVS器件在芯片内的集成。

图3总线接口芯片适用的内置TVS器件及其TLP测试曲线

图4 TVS器件在芯片内的集成

湖南静芯微电子技术有限公司经过五年的工作积累，对ESD/TVS器件进行专业设计，开发成功接口芯片适用的内置TVS器件，达到IEC61000-4-2标准接触放电15kV，高于行业常规IEC61000-4-2 level4 8kV。本司具备总线接口芯片内置TVS器件的设计开发经验，直接选用本司ESD/TVS器件或委托定制开发，可有效提升客户数据传输系统的静电可靠性。