集成TVS器件的RS485接口芯片的分析和设计

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。
　　本研究主要内容包括：⑴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。⑵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0.5μm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。

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第1章 绪论

1.1. RS485通讯接口芯片的概述

1.2. RS485接口芯片的防护

1.3. 本论文的主要工作

1.4. 本文的内容安排

第2章 RS485芯片的整体结构框架

2.1. 设计目标

2.2. 设计平台

2.3. RS485整体框架

第3章 电路模块的分析与设计

3.1. 接收模块的设计与分析

3.2. 发送模块的设计

3.3. 芯片的整体设计与仿真

第4章 片内TVS器件以及芯片整体版图的设计

4.1. TVS背景

4.2. RS485芯片的TVS器件设计

4.3. 芯片的整体版图设计

第5章 芯片的测试和改进

5.1. 芯片封装

5.2. 芯片测试

5.3. 芯片的优化和改进

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

附录A 个人简历

附录B 攻读硕士学位期间发表的学术论文