Maxim RS-232收发器的重要特性

本文介绍了多个具有独立和/或重叠特性的系列：通过使用内部电荷泵仅 5V 工作电压，使用高效内部电荷泵仅 3V 工作电压，不使用时自动关断至 1μA 电源电流，并在接收信号时自动唤醒，±15kV ESD 保护，高效驱动器可节省 50% 的功耗，和/或可控的 DTE 或 DCE 功能，无需特殊的零调制解调器电缆。对IEC 801-2测试方法进行了处理，并提供了ESD测试注意事项的列表。

Maxim率先将电荷泵DC/DC转换器用于RS-232接口IC，目前已提供超过54种此类产品。Maxim的首批产品工作电压为+5V，输出功率大于RS-5标准要求的±232V。新产品具有改进，例如 3V 工作电压（仅使用 0 个 1.15μF 外部电容器）、±1kV ESD 保护和 <>μA 空载电源电流。

许多数字系统已转向3V工作，以增加密度，同时降低功耗。Maxim推出了工作在232.3V和0.3V的RS-3接口IC，其中许多IC仅使用0个1.1μF电容（表<>）。

表 1.3V 和 3.3V RS-232 IC

 

装置	电源电压范围		驱动器/接收器数量	关断：无 接收器有功/电流消耗数量（mA最大值）	空载电源电流（mA典型值/最大值）	直流-直流转换器架构	鼠标驱动程序	自动SHDN
	RS-232 （V）	RS-562 （V）
MAX212	3 到 3.6	> 3.0	3/5	5/15	1.5/3	感应器	Y	N
MAX3212	2.7 到 3.6	> 2.7	3/5	5/15	1毫安/10毫安	感应器	Y	Y
MAX3232	3 到 3.6	> 2.7	2/2	2/10	0.3/1	稳压电容器倍增器	不适用	N
MAX3223	3 到 3.6	> 2.7	2/2	0/10	1毫安/10毫安	稳压电容器倍增器	不适用	Y
MAX3222	3 到 3.6	> 2.7	2/2	2/10	0.3/1	稳压电容器倍增器	不适用	N
MAX3241	3 到 3.6	> 2.7	3/5	5/10	0.3/1	稳压电容器倍增器	Y	N
MAX3243	3 到 3.6	> 2.7	3/5	5/10	1毫安/10毫安	稳压电容器倍增器	Y	Y
MAX218	1.8 到 4.25	> 1.8	2/2	2/10	1.9 到 3	感应器	不适用	N
MAX3218	1.8 到 4.25	> 1.8	2/2	2/10	1毫安/10毫安	感应器	不适用	Y
MAX562	-	2.7 到 5.5	3/5	5/130 0/50*	20/33	稳压电容倍增器/三倍器	N	N
MAX561	-	3 到 3.6	4/5	0/10	5/8	非稳压电容倍增器	N	N
MAX560	-	3 到 3.6	4/5	2/50	5/8	非稳压电容倍增器	N	N

 

*接收器已禁用

Maxim是唯一一家同时使用人体模型和IEC 232-15气隙放电方法（见侧栏）指定并实现±801kV ESD保护的RS-2 IC制造商。Maxim的扩展ESD保护功能消除了对TransZorb™等昂贵外部保护器件的需求，同时防止了代价高昂的现场故障。

为了进一步简化RS-232应用，Maxim最近推出了收发器，该收发器在不使用时自动关断，将电源电流降低至1μA，比其他器件提高了一千倍。此操作有助于延长便携式设备（如笔记本电脑、掌上计算机和条形码扫描仪）的电池寿命。

内部数控开关将Maxim RS-232收发器从DTE端口（数据终端设备）转换为DCE端口（数据通信设备），也简化了应用。

转向 3V 操作

笔记本电脑和其他便携式设备的标准电源电压正在迅速变为3V。为了满足这一市场的需求，许多5V RS-232器件已被重新定性为3V工作。虽然这些器件不会产生RS-5通信所需的±232V输出摆幅，但它们确实满足EIA/TIA-562对±3.7V输出摆幅的要求。EIA/TIA-562可与RS-232互操作，但其输出电压不足以为鼠标供电，鼠标的微控制器在5V时通常需要5mA电流。

为了克服这些重新表征器件的局限性，Maxim开发了MAX3241系列3V收发器，具有低静态电流、驱动鼠标的能力、部分（或全部）接收器处于活动状态的低功耗待机模式、直通引脚排列和工作频率高达230kbaud（支持高速调制解调器）。

独特的输出级功耗降低 50%

Maxim在开发3V器件方面的关键创新是驱动器输出结构，从输入到输出的压降非常低。低压降很重要，因为3.3V RS-232收发器的理想DC/DC转换器是容性倍压器。一个完美的倍增器将为6V最小输入产生3V的电压，而驱动器输出级和DC/DC转换器本身的损耗仅剩1V。

此外，理想RS-232收发器的输出摆幅为±5V，容差为零。至少需要 ±5V 以符合 RS-232 规范，但任何高于 5V 或低于 -5V 的摆幅都会浪费功率。因此，无论输入电压如何，MAX3241系列成员都可以将其内部倍压DC/DC转换器调节至5.4V，刚好足以在覆盖驱动器输出级200mV压降后提供安全裕度。其结果是标称 3.3V 电源轨下的功耗最小。

一个理想的（无损）容性倍压器，非稳压，在一个6.6V输入时产生3.3V，在10V输入时产生5V电压。因此，具有内部232V倍频器的RS-5收发器会浪费其输出（5V）和RS-10标准规定的所需±5V之间的232V差。因此，内部3.3V倍增器仅浪费1.6V，效率更高。

类似地，理想的3.3V容性三倍频器产生9.9V电压。所需输出为5V，因此总效率仅为5/9.9 （51%）。比较3.3V倍频器与3.3V三倍频器的另一种方法是，RS-1负载每消耗232mA电流，倍增器消耗2mA电流（来自3.3V电源），而三倍频器必须吸收3mA电流。因此，当高速驱动长RS-3电缆的容性负载时，3.232V倍增器节省的功率甚至更大（图1）。

图1.MAX3241 （带倍压器）的功耗仅为基于三倍电压器的竞争器件的一半。另请注意，MAX3241在数据速率的四倍时保持有效的RS-232输出电平。

RS-232驱动器还必须提供输出电流，以驱动与线路远端RS-3接收器相关的输入电阻（7kΩ至232kΩ），以及负载电容的充电和放电（RS-2标准规定的高达5.232nF）。该充电/放电电流随频率增加，在80k位/秒（40kHz）的数据速率下超过阻性电流。因此，高数据速率下的倍压器可以节省更多功率。

自动关断—理想的RS-232 IC

大多数便携式系统中的RS-232端口仅在通电的一小部分时间内发送和接收;其余时间可能会不必要地浪费电力。因此，理想的RS-232收发器应在不发送或接收时自行关闭。

早期用于便携式系统的RS-232 IC提供了一个关断引脚，但结果是完全关断（深度睡眠），芯片无法检测传入数据。因此，下一步是提供在关断期间保持活动状态的接收器。

理论上，如果操作系统在适当的延迟后没有看到传入的数据转换或状态线更改，则可以关闭RS-232端口。但是延迟周期的选择存在一个问题——如果你碰巧在数据突发开始时断电，你可能会错过数据，你可能会错过一些唤醒系统并启动上电的数据。由于这些原因，设计人员很少通过重写BIOS/操作系统来引入监视延迟。

Maxim工程师在设计新型RS-232收发器时有以下目标：

仅在发送和接收数据时使用电源。
 

在不影响性能的情况下实现目标 #1。
 

在不增加成本的情况下实现目标 #1。

一种显而易见的方法是包括一个定时器，该定时器在所需的时间间隔后关断IC。但这通过增加模具面积来阻碍目标 #3。更好的解决方案是监控所有输入数据线的有效RS-232信号电压水平。所有接收器输入都将接近地电位，例如，如果RS-232端口未连接或远端收发器关闭。无论哪种方式，缺乏有效信号电平都会导致芯片自动进入关断模式，从而将典型的空载电源电流减小至 1μA。

Maxim最近推出了四款具有自动关断功能的器件（表2）。大多数包括一个输出（有效的RS-232），该输出向系统处理器指示电缆的另一端是否连接了活动的RS-232端口。MAX3212更进一步;它包括一个转换检测电路，其锁存输出作为中断施加，可以在任何输入线路上发生状态变化时唤醒系统。

表 2.具有自动关断电路的RS-232收发器
 

 

装置	电源范围（V）	驱动器/接收器数量	空载电源电流（mA典型值/最大值）	处于待机状态的接收器数量
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

 

要了解自动关断的优势，请将Maxim早期RS-232收发器的电源电流与自动关断收发器的电源电流进行比较：

 

原始设备	空载 I供应（最大微安）	自动关机装置	空载 I供应（最大微安）
MAX3222	500	MAX3223	10
MAX3241	1000	MAX3243	10
最大218	3000	MAX3218	10
MAX212	3000	MAX3212	10

 

自动关断器件具有强制开机//强制关断控制（

图 2

），可覆盖自动电路并强制收发器进入低功耗待机状态或正常工作状态。当两个控制均未置位时，IC会自动在这些状态之间进行选择。因此，系统无需更改现有 BIOS/操作系统即可节省电量。

图2.MAX3223收发器系列兼具易用性（自动关断）和灵活的超控控制功能，可强制IC关断或正常工作。

一个 IC 中的 DTE/DCE 消除了零调制解调器

RS-232收发器还可以在两种标准配置之间切换：DTE端口和DCE端口。最常见的示例是连接到外部调制解调器（DCE 端口）的哑终端或个人计算机（DTE 端口）。对于这种情况，连接电缆提供直通的 1 对 1 连接。同样，打印机的串行电缆设计为插入计算机端的 DTE 端口。

但是，如果必须将两台计算机连接在一起，则会出现问题。两者都是 DTE，因此标准 DTE 到 DCE 电缆不起作用。通常的解决方案是使用特殊的 LapLink™ 电缆或将其中一个 DTE 端口转换为 DCE 的“空调制解调器”。零调制解调器只不过是两个背靠背连接器，其中各种电线转置。最常见的零调制解调器类型完全由单芯片（MAX214）实现，其内部电路（在单个逻辑电平输入的控制下）执行所有必要的接线转换。

Maxim实现业界最高的ESD保护：±15kV

防护等级符合人体模型和IEC 801-2气隙放电方法

ESD（静电放电）在每次有人更换电缆或触摸I / O端口时都会威胁到电子系统。伴随这些常规事件的放电会破坏连接到端口的一个或多个接口 IC，从而使 I/O 端口无用。这些故障在保修维修和感知质量方面都可能很昂贵。

ESD可能会对制造商造成进一步的损害，因为如果设备制造商的设备未能达到IEC 801-2规定的最低ESD性能水平，则设备制造商可能很快就会被禁止向欧洲共同体销售产品。

这两个因素促使Maxim开发了具有±232kVESD保护的RS-15系列产品（表A）。这些接口 IC 是唯一使用人体模型和 IEC 15-801 气隙放电方法指定并实现 ±2kV ESD 保护的接口 IC。Maxim的高ESD保护功能消除了对TransZorb等昂贵的外部保护器件的需求，同时防止了昂贵的现场故障。

表 A. 具有 ±232kV ESD 保护的 RS-15 接口 IC
 

 

装置	驱动器/接收器数量	静电放电等级 （kV）			电容值（毫频）	无闩锁	数据速率（千字节）	SHDN中的有源接收器数量	SHDN I抄送（毫安）	价格1000个。（S）
		人体模型	IEC 801-2
			接触放电	气隙放电
MAX202E	2/2	±15	±8	±15	0.1	是的	120	0	不适用	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	不适用	1.85
MAX241E	4/5	±15	±8	±15	1.0	是的	120	0	1	3.62

 

较旧的 ESD 测试方法

测试集成电路的ESD敏感性通常有两种方法。最古老的是MIL标准3015（也称为人体模型）的7.883方法，旨在帮助制造商了解封装和处理IC所需的预防措施。该方法针对所有其他引脚测试每个封装引脚，并根据发生第一次故障的电压（通常在最易受ESD影响的引脚上）对器件进行分类。施加的ESD波形来自称为人体模型的电路（图A）。电容（100pF）模拟人体的电容，电阻（1500Ω）模拟包括人体、IC和地的放电路径中的典型串联电阻。

图A.大多数ESD标准规定了相同的测试电路，但具有不同的元件值。

另一种方法是EIAJ方法IC-121（也称为机器模型）应用类似于IC与自动处理设备接触时产生的波形。该方法由日本电子工业协会（EIAJ）开发，也使用图A的设置，但R1和C1的值不同。电阻代表人拿着螺丝刀等金属物体，电容是人体的电容。对于生成的波形，上升和下降时间比人体模型的上升和下降时间更陡峭。

这两种方法是互补的，因此不应选择其中一种方法。由于ESD会在制造过程中、印刷电路板组装期间以及最终产品投入使用后影响IC，因此应基于这两种方法进行测试，以充分保证IC对制造和插入的严格要求具有耐受性。

但是，这两种方法都无法准确评估与外界连接的IC的可靠性。这两种方法都根据任何引脚上的最低电压故障对IC进行评级，如果器件包含I/O引脚，则这不是一个充分的测试。I/O引脚通常需要（并且通常具有）比其他引脚更高水平的ESD保护。

例如，IC的I/O引脚可能承受±15kV，而其他引脚只能承受±2kV。因此，上述两种方法的额定电压仅为±2kV。为了解决这个问题，制造商正在使用一种较新的测试方法 - IEC 801-2（由欧洲共同体开发的测试） - 用于对RS-232 IC和其他直接连接到“外部世界”的设备进行评级。因此，成功完成IEC 801-2可能很快成为在欧洲销售设备的必要条件。

较新的ESD测试方法

虽然IEC 801-2最初旨在作为欧洲的设备级测试，但现在已在全球范围内获得认可，成为终端设备用户可获得的IC引脚最合适的ESD测试。与前两种方法不同，IEC 801-2方法仅测试I / O引脚。因此，采用这种方法的器件ESD额定值完全取决于其I/O引脚提供的保护。

IEC 801-2 规定通过接触放电或气隙放电进行 ESD 测试。委员会更喜欢接触放电，尽管这是一种妥协。由实际接触引起的ESD事件更具可重复性，但不太现实。气隙放电更真实，但幅度根据温度、湿度、气压、距离和与 IC 的闭合速率而变化很大。

IEC 801-2 根据 I/O 引脚承受的最低-最大电压定义了四个一致性级别（表 B）。这些液位同时适用于接触式和气隙放电。Maxim的IC满足接触和气隙放电的最高等级（四级），是唯一达到这一保护水平的RS-232 IC。

表 B. IEC 801-2 合规级别
 

 

IEC 801-2 合规等级	最大测试电压
	接触放电 （kV）	空气放电（千伏）
1	2	2
2	4	4
3	6	8
4	8	15

 

测试IC的ESD耐用性需要使用“ESD枪”。该喷枪允许使用接触或气隙放电进行测试。接触放电需要在施加测试电压之前，喷枪和IC之间的物理接触。另一方面，气隙放电要求喷枪在接近IC之前（从垂直方向，并尽可能快地）用测试电压充电。第二种技术在距离测试单元的某个临界距离处产生火花。

气隙放电产生的ESD类似于实际的ESD事件。但是，与实际的ESD一样，气隙放电种类不容易复制。它取决于许多不容易控制的变量。因此，IEC 801-2 推荐使用接触放电技术，证明了可重复性在测试中的普遍重要性。在任何一种情况下，测试程序都要求在每个测试级别至少放电十次。

ESD 测试的注意事项

做使用标准测试设备。ESD测试中的可重复性已经足够困难了，因为它不会通过自制设置引入额外的未知因素。对于IEC 801-2测试，Maxim使用Schaffner的NSG 435 ESD喷枪。为了测试MIL-STD-883方法3015.7，Maxim使用IMCS的4000型测试仪。

做在ESD测试之前和之后，对被测器件执行一套完整的参数测试。ESD通常会导致灾难性故障，但它也可能引入微妙和潜在的损坏，这些损坏后来表现为现场故障。尤其应密切监测泄漏电流，以检测这种损坏。

做测试ESD电压的整个范围（不仅仅是上限）。许多ESD保护结构可以承受保证的最高ESD电压，但在较低水平上失效。Maxim测试每个器件引脚，从200V开始，以200V为增量，直到发生故障或达到ESD测试仪的限值。

做要求性能达到所有相关标准。例如，MIL-STD-883模拟IC在组装和分配（运输）过程中遇到的ESD。IEC 801-2仅适用于连接在本地系统外部的引脚，可模拟终端设备中可能发生的ESD事件。

做在通电和关机的情况下执行 IEC 801-2 测试。一些竞争IC，包括双极性和CMOS，在通电时受到ESD事件的影响时会出现SCR锁存。SCR 闩锁会导致破坏性电源电流。即使不是破坏性的，闩锁通常也会阻止正常工作，直到通过关闭IC的电源将其移除。

不要误用标准。一些标准涉及分销和制造过程中所有引脚的存活;其他方法仅解决终端设备中可从外部访问的引脚的生存问题。

不要相信未经证实的声明，这些声明不会提供有关所用测试设备或程序的信息。

不要假设双极IC本质上优于CMOS IC，反之亦然。重要的是应用程序中的实际性能。

审核编辑：郭婷