本文介紹了多個具有獨(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,不使用時自動關(guān)斷至 1μA 電源電流,并在接收信號時自動喚醒,±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 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1.1μF電容(表<>)。
表 1.3V 和 3.3V RS-232 IC
裝置 | 電源電壓范圍 | 驅(qū)動器/接收器數(shù)量 | 關(guān)斷:無 接收器有功/電流消耗數(shù)量(mA最大值) | 空載電源電流(mA典型值/最大值) | 直流-直流轉(zhuǎn)換器架構(gòu) | 鼠標(biāo)驅(qū)動程序 | 自動SHDN | |
RS-232 (V) | RS-562 (V) | |||||||
MAX212 | 3 到 3.6 | >3.0 | 3/5 | 5/15 | 1.5/3 | 感應(yīng)器 | Y | N |
MAX3212 | 2.7 到 3.6 | >2.7 | 3/5 | 5/15 | 1毫安/10毫安 | 感應(yīng)器 | Y | Y |
MAX3232 | 3 到 3.6 | >2.7 | 2/2 | 2/10 | 0.3/1 | 穩(wěn)壓電容器倍增器 | 不適用 | N |
MAX3223 | 3 到 3.6 | >2.7 | 2/2 | 0/10 | 1毫安/10毫安 | 穩(wěn)壓電容器倍增器 | 不適用 | Y |
MAX3222 | 3 到 3.6 | >2.7 | 2/2 | 2/10 | 0.3/1 | 穩(wěn)壓電容器倍增器 | 不適用 | N |
MAX3241 | 3 到 3.6 | >2.7 | 3/5 | 5/10 | 0.3/1 | 穩(wěn)壓電容器倍增器 | Y | N |
MAX3243 | 3 到 3.6 | >2.7 | 3/5 | 5/10 | 1毫安/10毫安 | 穩(wěn)壓電容器倍增器 | Y | Y |
MAX218 | 1.8 到 4.25 | >1.8 | 2/2 | 2/10 | 1.9 到 3 | 感應(yīng)器 | 不適用 | N |
MAX3218 | 1.8 到 4.25 | >1.8 | 2/2 | 2/10 | 1毫安/10毫安 | 感應(yīng)器 | 不適用 | Y |
MAX562 | - | 2.7 到 5.5 | 3/5 | 5/130 0/50* | 20/33 | 穩(wěn)壓電容倍增器/三倍器 | N | N |
MAX561 | - | 3 到 3.6 | 4/5 | 0/10 | 5/8 | 非穩(wěn)壓電容倍增器 | N | N |
MAX560 | - | 3 到 3.6 | 4/5 | 2/50 | 5/8 | 非穩(wěn)壓電容倍增器 | N | N |
*接收器已禁用
Maxim是唯一一家同時使用人體模型和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,同時防止了代價高昂的現(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。
一個理想的(無損)容性倍壓器,非穩(wěn)壓,在一個6.6V輸入時產(chǎn)生3.3V,在10V輸入時產(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,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間內(nèi)發(fā)送和接收;其余時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)送或接收時自行關(guān)閉。
早期用于便攜式系統(tǒng)的RS-232 IC提供了一個關(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問題——如果你碰巧在數(shù)據(jù)突發(fā)開始時斷電,你可能會錯過數(shù)據(jù),你可能會錯過一些喚醒系統(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)器時有以下目標(biāo):
僅在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時使用電源。
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定時器,該定時器在所需的時間間隔后關(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)變化時喚醒系統(tǒng)。
表 2.具有自動關(guān)斷電路的RS-232收發(fā)器
裝置 | 電源范圍(V) | 驅(qū)動器/接收器數(shù)量 | 空載電源電流(mA典型值/最大值) | 處于待機(jī)狀態(tài)的接收器數(shù)量 |
MAX3212 | 2.7 到 3.6 | 3/5 | 1/10 | 5 |
MAX3218 | 1.8 到 4.25 | 2/2 | 1/10 | 2 |
MAX3223 | 3 到 3.6 | 2/2 | 1/10 | 2 |
MAX3243 | 3 到 3.6 | 3/5 | 1/10 | 5 |
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:
原始設(shè)備 | 空載 I供應(yīng)(最大微安) | 自動關(guān)機(jī)裝置 | 空載 I供應(yīng)(最大微安) |
MAX3222 | 500 | MAX3223 | 10 |
MAX3241 | 1000 | MAX3243 | 10 |
最大218 | 3000 | MAX3218 | 10 |
MAX212 | 3000 | MAX3212 | 10 |
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)兩個控制均未置位時,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 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€ 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或多個接口 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
裝置 | 驅(qū)動器/接收器數(shù)量 | 靜電放電等級 (kV) | 電容值(毫頻) | 無閂鎖 | 數(shù)據(jù)速率(千字節(jié)) | SHDN中的有源接收器數(shù)量 | SHDN I抄送(毫安) | 價格1000個。(S) | ||
人體模型 | IEC 801-2 | |||||||||
接觸放電 | 氣隙放電 | |||||||||
MAX202E | 2/2 | ±15 | ±8 | ±15 | 0.1 | 是的 | 120 | 0 | 不適用 | 1.85 |
MAX211E | 4/5 | ±15 | ±8 | ±15 | 0.1 | 是的 | 120 | 0 | 1 | 3.62 |
MAX213E | 4/5 | ±15 | ±8 | ±15 | 0.1 | 是的 | 120 | 2 | 15 | 3.62 |
MAX232E | 2/2 | ±15 | ±8 | ±15 | 1.0 | 是的 | 120 | 0 | 不適用 | 1.85 |
MAX241E | 4/5 | ±15 | ±8 | ±15 | 1.0 | 是的 | 120 | 0 | 1 | 3.62 |
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,上升和下降時間比人體模型的上升和下降時間更陡峭。
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一致性級別(表 B)。這些液位同時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
IEC 801-2 合規(guī)等級 | 最大測試電壓 | |
接觸放電 (kV) | 空氣放電(千伏) | |
1 | 2 | 2 |
2 | 4 | 4 |
3 | 6 | 8 |
4 | 8 | 15 |
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,在通電時受到ESD事件的影響時會出現(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
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