Преимущества приемопередатчиков интерфейса RS-232 с встроенными TVS-диодами

Введение

При разработке любого современного электронного компонента приоритетными всегда были и остаются вопросы надежности и безопасности. Важным шагом при решении этих проблем стала разработка защиты от электростатического разряда на уровне устройства как системы. А для того чтобы гарантировать достаточный уровень устойчивости устройств, в том числе и входящих в них интегральных схем (ИС), к воздействию разряда электростатического электричества (Electrical Static Discharge, ESD) необходимо проводить испытания. Так, испытание на воздействие разряда статического электричества выполняют согласно стандарту IEC 61000-4-2:2008 (В РФ для этой цели используется ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2:2008) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний (Издание с Поправкой)», модифицированный по отношению к международному стандарту IEC 61000-4-2:2008 “Electromagnetic compatibility (EMC) — Part 4–2: Testing and measurement techniques — Electrostatic discharge immunity test”). Стандартом предусмотрено два метода испытаний — методом контактного или воздушного разряда, которые проводятся на интерфейсах ввода/вывода разрабатываемого устройства.

Если микросхема интерфейса не обеспечивает защиту от ESD на уровне устройства в целом, то, как правило, лучшим решением становится внешняя сборка из нескольких поглощающих энергию и ограничивающих напряжение воздействия элементов в виде супрессоров, обычно TVS-диодов (TVS — сокращение от англ. transient voltage suppression — «подавление выбросов напряжения»), выполненных в одном корпусе. По соотношению эффективности и стоимости организации решения защиты внешняя сборка из TVS-диодов является наиболее распространенным устройством защиты от электростатического разряда на аппаратном уровне.

Однако здесь есть свои нюансы. Разработчикам необходимо не только подобрать наиболее подходящий под конкретную задачу TVS-диод по его электрическим характеристикам, поскольку, кроме его параметров, на защиту от воздействия электростатического разряда на уровне системы напрямую влияет и его расположение на печатной плате. Защиту на основе TVS-устройств можно по типу разделить на две группы: реализованные на кристалле ИС и вне кристалла. Здесь TVS-устройства на кристалле ИС — это супрессоры, объединенные с приемопередатчиком на одной кремниевой пластине, а TVS-устройства вне кристалла — это внешнее устройство (или устройства), выполненное в отдельном корпусе.

Если используется традиционный приемопередатчик RS‑232, то для обеспечения защиты от электростатического разряда на системном уровне необходимо четыре внешних TVS-диода, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема включения ИС обычного приемопередатчика интерфейса RS 232 с защитой от разрядов статического электричества

При таком решении потребуется дополнительное место на печатной плате для размещения и подключения четырех внешних TVS-диодов. Как следствие, специалистам понадобится не только выбрать супрессоры, подходящие для сигналов с уровнями интерфейса RS‑232, но и доработать печатную плату в соответствии с выбранными компонентами, что в свою очередь приводит к увеличению сроков разработки. На рис. 2 представлено решение приемопередатчика RS‑232 со встроенными TVS-диодами.

Рис. 2. Схема применения ИС приемопередатчика RS 232 со встроенными TVS-диодами

Применение такого приемопередатчика не только уменьшает площадь печатной платы конечного решения интерфейса (СОМ-порта), но и напрямую улучшает устойчивость к воздействию электростатического разряда на уровне устройства — в области порта ввода/вывода RS‑232, без изменения имеющейся печатной платы. В статье рассматривается высоковольтное устройство для защиты интерфейса RS‑232, представленное в виде сдвоенного управляемого кремниевого диода (dual silicon-controlled rectifier, DSCR), обладающего динисторной S‑образной вольт-амперной характеристикой, но в отличие от обычно используемого SCR, работающего на ограничение напряжения сигналов обеих полярностей, — положительного и отрицательного.

Для обеспечения электрических характеристик как по уровню напряжения ограничения, так и по току, с учетом отсутствия эффекта защелкивания, управляемый диод был изготовлен с использованием 0,6‑мкм техпроцесса BCD (Bipolar-CMOS-DMOS). Физическая компоновка встроенного в SCR TVS-элемента защиты от ESD выполнена в виде сплошной площадки с внешними, выделенными по периметру прямоугольными областями (в оригинале статьи они названы концентрическими, что не соответствует действительности). Размер данного супрессора составляет 236×236 мкм. Приемопередатчик RS‑232 с таким встроенным в структуру SCR дополнительным TVS-элементом (далее для простоты — TVS-диодом) прошел испытания на устойчивость к контактному разряду напряжением 8 кВ/30 А по методике стандарта IEC61000-4-2 (степень жесткости 4), характерному при использовании интерфейса RS‑232 в портативных компьютерах и сканерах, а также испытания на отсутствие повреждений и эффекта «защелкивания» ИС интерфейса.

Механизм защиты на основе TVS-диодов в приложениях RS‑232

Теперь более подробно рассмотрим механизмы защиты и критерии выбора супрессоров.

Механизм защиты при использовании внешних TVS-диодов

При разработке защиты от ESD можно выделить два основных критерия:

• выбор характеристик TVS-диода для размещения как внутри, так и вне ИС;
• размещение и подключение внешних TVS-диодов на печатной плате.

Для RS‑232 максимальное напряжение сигнала составляет ±12 В, соответственно, для внешних TVS-диодов необходимо выбрать более высоковольтное двунаправленное защитное устройство. Однако во время нормальной передачи сигналов наличие помех может привести к срабатыванию внешнего супрессора, и передача сигнала будет нарушена. Для исключения этого эффекта и с учетом особенностей вольт-амперной характеристики (ВАХ) требуется, чтобы напряжение ограничения TVS-диодов было в 1,2–1,5 раза больше, чем максимальный уровень сигнала интерфейса.

Как правило, выбирая защиту от электростатического разряда, разработчики устройства принимают во внимание не только напряжение срабатывания, но и мощность электростатического разряда, которая может быть поглощена TVS-диодом, установленным вне ИС. Однако уровень защиты от воздействия электростатического разряда при использовании внешнего супрессора в первую очередь зависит от уровня напряжения ограничения. Чем ниже данное напряжение, тем эффективнее защита. Впрочем, наиболее значимой характеристикой для внешних TVS-диодов в части ESD-защиты все же является допустимая мощность поглощения электростатического разряда, которая имеет обратную зависимость от напряжения ограничения.

Есть еще один важный момент: энергия электростатического разряда должна поглощаться вблизи точки его приложения, то есть на входе в устройство. Соответственно, внешний TVS-диод, работающий в паре с интерфейсом RS‑232, должен быть размещен как можно ближе к разъему DB9. Однако если площадь печатной платы ограниченна, то расстояние между супрессором и защищаемым интерфейсом RS‑232 может увеличиться за счет трассировки и расположения компонентов. Как следствие, может возникнуть недопустимо большая собственная индуктивность проводников подключения TVS-диодов на печатной плате, и в определенной мере она повлияет на защиту традиционного приемопередатчика RS‑232 с внешними TVS-диодами.

Итак, в основном критерии выбора внешнего супрессора заключаются в том, чтобы эффективно отводить через него ток вне кристалла приемопередатчика интерфейса. Поэтому поставщики внешних TVS-диодов в качестве рекомендаций предоставят разработчикам устройств критерии оптимальной компоновки и примеры разводки. На рис. 3 показана схема испытания на контактный электростатический разряд испытательным генератором («искровым пистолетом») согласно стандарту IEC 61000-4-2. Здесь видно, что существует два пути протекания тока разряда: один (I_TVS) — через внешний TVS-диод вне кристалла интерфейса, а другой (I_t2) — непосредственно через входные цепи на кристалле приемопередатчика RS‑232.

Рис. 3. Структура протекания токов при использовании защиты от электростатического разряда на основе внешнего TVS-диода при контактных испытаниях «искровым пистолетом»

Считается, что после установки TVS-диода в виде дополнительной микросхемы внутренние цепи приемопередатчика интерфейса RS‑232 будут полностью защищены. Однако на практике такая концепция в корне неверна. Характеристики внешнего супрессора будут напрямую влиять на величину тока I_t2, проходящего через приемопередатчик RS‑232. Соответственно, при превышении этим током максимально допустимого входного тока интерфейс будет поврежден.

Этот ток определяется напряжением ограничения TVS-диода: чем ниже напряжение ограничения, тем меньше ток, протекающий в приемопередатчик RS‑232, что обеспечивает лучшую защиту. Проведем приблизительный количественный анализ контактного разряда. Ранее мы выбрали его равным 8 кВ согласно степени жесткости 4 по стандарту IEC61000-4-2. Количественный анализ должен дать разработчикам устройств общее представление о количественном расчете ограничивающего напряжения устройства при выборе встроенного TVS. Здесь нужно принять во внимание следующие допущения:

1. Максимальный ток, который может протекать через RS‑232, — это I_t2 = 2,7 A (модель человеческого тела (Human Body Model, HBM) в 4 кВ). Напряжение ограничения для максимального тока V_t2 = 20,3 В.
2. Ток, протекающий через дорожку на печатной плате, эквивалентен 2,7 А, что соответствует максимальному входному току приемопередатчика RS‑232.
3. Индуктивность дорожки печатной платы для подключения L = 1 нГн. При контактном разряде по стандарту IEC 61000-4-2 с уровнем 8 кВ (степень жесткости 4) пиковый ток переходного процесса достигнет 30 А за время, равное 1 нс.

Максимальное напряжение ограничения TVS-диода, установленного вне кристалла ИС, при токе 27,3 А можно рассчитать следующим образом:

V_TVS = V_t2+L×(dlt²/dt) = 23 В.

Если напряжение ограничения превысит это значение, приемопередатчик RS‑232 будет безвозвратно поврежден — это количественный анализ приемопередатчика RS‑232 с воздействием согласно HBM-модели с уровнем напряжения 4 кВ.

Для традиционных приемопередатчиков RS‑232 максимальное напряжение ограничения внешнего супрессора должно быть ниже рассчитанного значения. Таким образом, первым приоритетом при выборе TVS-диода, размещенного вне кристалла ИС, с точки зрения его способности защиты от электростатических разрядов является выбор устройства с самым низким напряжением ограничения, не влияющим на уровень сигнала. Второе соображение — его способность выдерживать воздействие электростатического разряда необходимой мощности.

Механизм защиты встроенного супрессора

Вопрос разработки приемопередатчика RS‑232 со встроенным супрессором не так прост, как кажется на первый взгляд. Недостаточно лишь добавить супрессор в микросхему, необходимо, чтобы защищенные цепи также были спроектированы соответствующим образом. Однако микросхема со встроенным супрессором в первую очередь ограничена техпроцессом, используемым для производства непосредственно самой схемы приемопередатчика. Как следствие, ее труднее спроектировать, чем отдельную внешнюю TVS-матрицу, которая не имеет подобных ограничений. Кроме того, для обеспечения устойчивости к электростатическим разрядам микросхемы в целом цепи защиты ввода/вывода должны быть согласованы со встроенными TVS-диодами, а их слаботочные внутренние цепи должны быть защищены схемой ограничения тока. Принципиальная схема выходной цепи со встроенными TVS-диодами показана на рис. 4. Ее основное отличие от схемы защиты с внешним TVS-диодом состоит в том, что здесь добавлен резистор Rp, ограничивающий протекание чрезмерного тока через PMOS/NMOS-драйверы.

Рис. 4. Принципиальная схема выходной цепи со встроенным TVS-диодами

Резистор Rp используется для ограничения тока драйвера выходного каскада приемопередатчика RS‑232. Структура защиты, в отличие от проводника на печатной плате при использовании внешнего TVS-диода, заключается в том, что индуктивность печатного проводника платы представляет собой устройство для ограничения пикового тока, сглаживающего энергию электростатического разряда dI_peak/dt = 30 А/1 нс, для контактного разряда уровнем 8 кВ согласно степени жесткости 4 стандарта IEC 61000-4-2.

Теоретически способность защиты драйвера выходного каскада от ESD будет увеличена, если повысить максимальное напряжение ограничения встроенного TVS-диода. Для этого площадь выходного каскада драйвера также должна быть увеличена. При проектировании встроенного TVS-диода следует учитывать его невысокое максимальное напряжение ограничения. Одновременно с этим площадь встроенного TVS-диода ограничивается доступной площадью кристалла возле портов ввода/вывода, а также себестоимостью производства ИС и, соответственно, невозможностью бесконечного увеличения площади. Однако максимальное напряжение ограничения для TVS-диода на кристалле может быть выбрано больше, чем у внешнего супрессора. Таким образом, определяющими факторами здесь становятся разумное решение драйвера PMOS/NMOS и соответствующий выбор номинала резистора Rp. В итоге задача разработки схемы защиты со встроенным TVS-диодом сводится к его проектированию на ограниченной площади кристалла и расчету размеров каскада PMOS/NMOS одновременно с выбором номинала для Rp.

Таким образом, внутренняя схема RS‑232, подключенная к узлу P1, должна иметь схему ограничения тока, необходимую для предотвращения протекания чрезмерного тока через внутренние цепи, что может привести к необратимым повреждениям. Поскольку максимальное напряжение ограничения встроенного TVS-диода не может быть малым (как мы определили это ранее), потенциал в точке P1 остается достаточно высоким, что способно повредить внутренние компоненты при воздействии на них энергии электростатического разряда.

Схема ограничения тока может быть реализована с помощью простого резистора, имеющего сопротивление в пределах 1–10 кОм, в зависимости от параметров и геометрических размеров компонента внутренней схемы. Кроме того, для устранения сторонних паразитных эффектов резистор должен быть изготовлен из поликремния. Поэтому разработчикам ИС необходимо многократно моделировать схемы с учетом и электрических характеристик и электростатических разрядов, чтобы достичь соответствия требованиям спецификации для нормальных сигналов.

Конструктивное исполнение и электрические характеристики встроенных TVS-диодов

На рис. 5 изображено поперечное сечение встроенного высоковольтного SCR дополнительного TVS-элемента, образующего структуру SP/NW/SP/N+ от анода до катода. В обратную сторону от катода до анода структура остается такой же. Элемент защиты изготавливается по 0,6‑мкм BCD-технологии и настроен на срабатывание по заданному пороговому напряжению.

Рис. 5. Поперечное сечение высоковольтного DSCR

Электрические характеристики DSCR соответствуют напряжениям стандарта физического уровня для асинхронного интерфейса RS‑232. Согласно этому стандарту максимальное входное напряжение приемника RS‑232 составляет 25 В. Напряжение срабатывания DSCR, как мы уже определили ранее, выбрано в 1,2 раза выше максимального входного напряжения интерфейса. И хотя максимальное выходное напряжение на стороне передатчика составляет 12 В, напряжение ограничения DSCR, для того чтобы предотвратить искажение сигнала в случае возникновения ESD, должно быть больше, чем максимальное выходное напряжение. На рис. 6 показана вольт-амперная характеристика DSCR. Характеристическая ВАХ измеряется при помощи импульсов линии передачи (Transmission-line pulse, TLP) длительностью в 100 нс. Таким образом, на DSCR без каких-либо повреждений может быть подан ток до 17 А. Согласно кривой ВАХ по TLP, DSCR имеет сопротивление канала в открытом состоянии R_on = 0,62 Ом, то есть больше, чем у традиционных внешних TVS-диодов. Причина в том, что общее сопротивление DSCR будет выше, поскольку оно ограничено фактической площадью внутри корпуса микросхемы. Тем не менее DSCR — это эффективное и надежное устройство защиты от электростатического разряда с ограничивающим напряжением 37,6 В и током 1,1 А.

Рис. 6. Вольт-амперная характеристика высоковольтного DSCR, измеренного методом TLP с длительностью импульса 100 нс

Пиковые характеристики электростатического разряда, проходящего через драйвер PMOS/NMOS, могут быть рассчитаны после подтверждения характеристик DSCR. Предполагается, что энергия электростатического разряда, измеренная в контактном режиме IEC 61000-4-3 при 8 кВ при скорости разрядного тока 30 А/нс, проходит через встроенный диод. При этом максимальное напряжение ограничения встроенного DSCR равно:

V_clamp = V_th+30×R_on = 37,6 В.

Считаем, что R_p = 8 Ом, а минимальное напряжение ограничения PMOS/NMOS-драйвера составляет 16 В. Максимальный ток, протекающий через выходной каскад интерфейса, будет равен 2,7 А, что соответствует мощности, приемлемой для HBM-модели.

Используя этот метод расчета и данные устройства ESD-защиты, предоставленные заводом по производству полупроводниковых пластин, разработчики ИС могут рассчитать размер необходимой области драйвера PMOS/NMOS. Высоковольтный DSCR, как показано на рис. 7, спроектирован в виде прямоугольной области (в оригинале статьи ошибочно указано «концентрического круга»), с учетом того, что DSCR-устройство должно одинаково срабатывать при большом токе независимо от полярности.

Рис. 7. Решение комплексной защиты от электростатического разряда приемопередатчика RS 232 со встроенным TVS-диодом (структура DSCR)

В этом решении внутренняя сплошная площадка представляет собой анод, а по ее внешней стороне выполнен катод с охранным кольцом на подложке. Чтобы не увеличивать площадь физической компоновки и эффективно комбинировать с ячейками ввода/вывода, высоковольтный DSCR должен быть изготовлен с двумя металлическими слоями, что позволит выполнить требования по ESD под выводом микросхемы согласно стандарту IEC 61000-4-2:2008.

Для эффективного отвода тока электростатического разряда крайне важно правильно разместить и подключить (разварить) встроенный супрессор. Во‑первых, во избежание сгущения тока (также известного как эффект смещения тока, current crowding effect, CCE) — неоднородного распределения плотности тока через проводник или полупроводник, особенно вблизи контактов и над p‑n‑переходами. Для этого ширина провод-ника в микросхеме должна быть достаточной, поскольку ток разряда на уровне микросхемы имеет большое значение. Во‑вторых, для уменьшения длины встроенного TVS-диода необходимо расположить его как можно ближе к «земле» и, соответственно, максимально уменьшить паразитную индуктивность проводника, чтобы повысить эффективность отвода тока.

На рис. 8 показано два варианта решения для встроенных TVS-диодов, где заземляющий вывод GND находится в верхнем правом углу микросхемы, при этом нижний левый TVS-диод отделен от «земли». Более длинный путь протекания тока (для TVS-диода в левом нижнем углу) дает худший эффект, что вполне естественно. Для устранения этого эффекта мы поместили дополнительную площадку GND в нижний левый угол, чтобы одновременно уменьшить расстояние пути, отводящего ток, и увеличить возможности защиты встроенного TVS-диода. Помимо этого, мы также учитываем расстояние между микросхемой и корпусом. На рис. 8а видно, что дополнительный вывод GND подключен к выводу GND (14) на корпусе через длинный провод. Эквивалентная индуктивность такого решения будет увеличиваться с увеличением длины проводки. Таким образом, постоянная времени (L/R) этого пути увеличивается, что в свою очередь приведет к повреждению микросхемы из-за ухудшения дренажного эффекта. После многократной проверки и теоретического анализа необходимо также принять во внимание размеры корпуса микросхемы, как показано на рис. 8б. Проверка приемопередатчика RS‑232 со встроенным TVS-диодом в составе конечного устройства обычно выполняется в полностью собранном виде с использованием генератора ESD, посылающего разряд на разъем DB9 порта RS‑232.

Рис. 8. Варианты подключения встроенных в ИС интерфейса RS 232 защитных TVS-диодов (на рисунке диаметр используемой для корпусирования проволоки не учитывается)

Рассмотрим эксперимент проверки устойчивости готового устройства к электростатическому разряду со встроенными в приемопередатчик RS‑232 TVS-диодами. В эксперименте для однонаправленных приема и передачи данных в режиме реального времени использовалось два портативных компьютера NB-A и NB-B с портом RS‑232 (рис. 9).

Рис. 9. Экспериментальная установка RS 232 приемопередатчика на ИС со встроенными TVS-диодами в системе NB

Компьютер, обозначенный как NB-A, был подключен через разъем DB9 к тестовой плате RS‑232 с ИС интерфейса со встроенным TVS-диодом. Затем тестовая плата также через разъем DB9 была подключена к компьютеру, обозначенному как NB-B. Данные отправлялись с компьютера NB-A, а принимались на вход Rx_in приемника RX, его выход Rx_out был в свою очередь подключен к входу Tx_in передатчика TX, выход Tx_out которого подсоединен ко второму компьютеру NB-B. После завершения передачи каждого пакета данные на обоих концах линии (NB-A и NB-B) сравниваются между собой. Скорость передачи в эксперименте составляет 256 кбит/с, а расстояние отправки — 2 м. Генератор ESD подавал разряд на TX_OUT (или RX_IN) в разъеме DB9.

Результаты экспериментов подтвердили, что в системе NB приемопередатчик RS‑232 со встроенным TVS-диодом обладает способностью обеспечить защиту от контактного электростатического разряда согласно IEC 61000-4-2 при уровне воздействия 20 кВ (класс B). При воздействии энергии электростатического разряда на приемопередатчик не было обнаружено необратимых повреждений и эффекта защелкивания. В фиксированном фрагменте данных коэффициент ошибок по битам (BER) составил 10%. Если напряжение электростатического контактного разряда было снижено до 8 кВ согласно стандарту IEC 61000-4-2, BER составлял всего 1%. Результаты экспериментов подтвердили, что встроенные в микросхему интерфейса RS‑232 TVS-диоды могут в полной мере обеспечить защиту от электростатического разряда на уровне устройства, что позволяет такой системе предохранить трансивер от необратимого отказа.

Заключение

В статье предложена разновидность защиты от электростатического разряда, выполненная на основе встроенного TVS-диода, которая может быть применена к ИС приемопередатчика интерфейса RS‑232. Конструктивная концепция защиты от электростатических разрядов на уровне устройства может быть реализована с помощью встроенного TVS-диода непосредственно в структуре высоковольтного DSCR.

Такой встроенный супрессор, использующий максимально компактную область физической компоновки, может обеспечить защиту от электростатического разряда на уровне системы при контактном воздействии импульса напряжения 8 кВ согласно требованиям по стандарту IEC 61000-4-2 степени жесткости 4 непосредственно на кристалле. При разработке встроенной защиты, организованной на этом принципе, акцент делается на эффективности как встроенного супрессора, так соответствующих внутренних схем. Выполнение требований по выбору и размещению TVS-диода привело к значительному развитию технологии защиты от электростатического разряда.

Натурные испытания также подтвердили, что встроенная защита на супрессорах DSCR с встроенным TVS-диодом обеспечивает защиту от электростатического разряда на уровне системы при контактном воздействии 20 кВ.