集成TVS器件的RS485接口芯片的分析和设计-集成电路工程专业论文.docxVIP

湘潭大学 学位论文原创性 声 明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导 F独立进行研究所 取得的研究成果 。除了文中特别加以标 注 引用的内容外 ，本论文不包含 任 何其他个人或集体已 经发表或撰写的成果作品。 X?J 本文的研究做出重要贡 献的个人 不1 1集体 ，均 U在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律盯 乡}!:由木人承担 。 作者签名: 乔马苍 日WJ : 2D1r1，1:: b 月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学 校有关保留、 使用学位 论文 的规定， 同意 学校保附并向|玉 家有 关部门或机构送交 论文的复 [;IJ件矛11 1色于版，允许论文 被查|剧和借阅 。木人授权湘潭入学可以将本学位论文的全部或部分内容纳 入有关数据库进行检索 ，可以采用j;如11 、缩印或扫描等复制手段保存在!汇 编本学位论文 。 涉存f 论文 f玄学校灿!走处吨 。 MM : 传开雪 导师签名 : l份在 R 则 :.201? 1， 1二 b 月 I I 明: 陈 b 月 ? 口 II II 摘 要 智能电网是目前全世界节能减排的重要举措之一，其中具有可长距离通讯的 RS485 网络是智能电网中最为关键的通信网络。RS485 的传输总线一般架在室外 或沿电缆铺设，常因雷击引发传输线上产生瞬变干扰而导致芯片的损坏。此外， RS485 网路常采用直线拓扑结构，一条总线上挂载着数十至上百个 RS485 收发 器，因而雷击、浪涌产生的大电压突变就有可能导致 RS485 网络中收发芯片的 同时损坏，从而导致网络系统的瘫痪。所以，对电压突变的防护是 RS485 芯片 设计时必须考虑的问题，也是提高系统可靠性及安全性的关键所在。 对于传统的 RS485 收发器，为了达到 DL/T645 的标准，传输总线端口 A、B 会有人体模型(HBM，Human Body Model) 15kV 的规格要求，但在实际应用中， 这样的防护等级是不够的。目前一般的解决方法是在 RS485 收发器总线端口处 外接瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor，TVS)来防止电压突波。 但一般的独立 TVS 器件成本高而且使用不方便。同样，压敏电阻因其寄生电容 大，导通电阻也高，且低电压的压敏电阻漏电流大，也不适合用于 RS485 介面 保护。而利用传统半导体工艺制作的 TVS 虽然反应速度极快，但其耐高电压、 高电流的能力不足，所以也难以抵挡雷击浪涌的冲击，而采用新型 CMOS IC 工 艺，可以克服许多技术上的瓶颈。本文的主要工作是： 一、通过采用 CMOS 工艺将 TVS 器件和 RS485 电路实现单片集成，以解决 压敏电阻寄生电容大，导通电阻高，且低电压压敏电阻漏电流大不适合用于 RS485 介面保护的弊端，同时克服传统半导体制作的 TVS 耐高电压、高电流的 能力不足，难以抵挡雷击浪涌的冲击的问题。 二、基于 TIA/EIA 的 RS485 通讯协议标准，采用台湾旺宏电子股份有限公 司 0.5 μm 高压 CMOS 工艺，使用 Cadence Virtuoso EDA 软件设计完成一款集成 有 TVS 器件的 RS485 接口芯片。芯片采用半双工、双向通讯方式，具有抗雷击、 浪涌、低功耗、短路保护等特点；芯片输入阻抗为 1/8 单位负载，能够并行驱动 256 个同类型的收发器。 本文设计完成的芯片主要由接收器、驱动器以及 TVS 器件构成，芯片采用 平衡驱动和差分接收的工作方式。芯片通过三次流片以及多次优化和改进，实现 了预先设计的指标，并顺利通过了芯片厂商的性能以及可靠性等工程性测试；与 国内同类产品相比，具有面积更小，抗干扰能力更强的特点。 关键词：Transient Voltage Suppressor；抗雷击、浪涌；接收器；驱动器；可靠性 PAGE PAGE IV Abstract At present, smart grid becomes one of the important measures of energy conservation and emission reduction in the world, which has long distance communication in RS485 network and is a key transmission interface in smart grid. The RS485 transmission bus general frame in the outdoor or along the cable laying, it can easily be damaged by tran