基于电荷泵的单片机串口通信的热插拔设计
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【摘要】本文采用内部集成了电荷泵模块的MAX3232作为单片机串口通信的热插拔保护电路，该方案能够很好抑制热插拔所引入的尖峰电压，且电路简单，元件较少，以较低的成本获得较好的热插拔性能。
【关键词】热插拔；串口通信；热插拔；MAX3232
1.引言
所谓热插拔，也就是在不切断系统电源的情况下，进行插入或者拔出的操作。但在正常情况下，对正在工作中设备进行“热插拔”操作是不被允许的，并且“热插拔”的操作会带来许多“副作用”，例如会产生浪涌电流，瞬态电压，静电释放等效应[1][2][3]。其中浪涌电流效应主要发生在系统的供电模块，而瞬态电压和静电释放效应主要发生在信号端口。这些效应会导致一些严重后果，例如，单片机不正常复位，单片机端口损坏，一些重要的IC芯片乃至整个电路板烧毁。但是由于各种原因，例如操作人员疏忽和一些特殊的应用需求，必须保证电路板在热插拔操作的情况下仍然能够正常工作。因此本文根据单片机串口通信模块需要具备热插拔特殊应用需求，针对热插拔操作所带来的后两种危害设计了相应的保护电路。
2.设计方案比较
由于不同设备之间存在电位差的缘故，虽然这些电位差是瞬间的，且电流量并不大，但是在进行热插拔操作时，该电位差通常会超过各种IC芯片的最大耐压值，甚至是IC芯片最大耐压值的几倍从而烧毁IC芯片。解决瞬态电压的方法就是快速钳制电压。目前常见的手段包括在电压输入端和地之间使用压敏电阻，TVS（Transient Voltage Suppresser）二极管，也可以使用多层变阻器以及电荷泵电路[3][4]。如表1所示设计方案的比较。
3.电荷泵的工作原理
电荷泵的有许多种分类方法，其中按照内部的结构不同可分为三类：（1）开关式调整器升压泵；（2）无调整电容式电荷泵；（3）可调整电容式电荷泵。按照输出压降不同，可分为倍圧型和负压型两种。
所有的电荷泵的工作过程均相似，首先将输入的电压存储到储能元件中，然后以某种受控的方式将其能量释放，以获得输出的电压。
本文使用的元件内部集成了可调整电容式电荷泵，可调整电容式电荷泵内部如图3所示，它由开关阵列和振荡器，逻辑电路，以及外接的电容构成[5][6]。
由表2可知，MAX5977A的输入电压范围较大，能够承受高达28V尖峰电压以及较为智能化输出管理，但是芯片的元器件较多，价格贵，成本高，且无法工作于高速率的环境下。相反，虽然MAX3232通常作为电平转换芯片，且在250kbps速率下仍能保持RS232电平。但是其内部集成的双电荷泵也能够有效抑制热插拔时引入的尖峰电压效应。同时其内部还集成了±15KV ESD保护的I/O端口和逻辑引脚能够有效应对热插拔时引入的静电效应。其电路元件单一，数量较少，在单片机串口通信这种热插拔指标要求不高的情况下，MAX3232就能够较好实现保护串口通信的目的。
4.2 MAX3232热插拔具体电路设计
两块单片机的发送端TX通过两次电平转换后输入到对方的RX，再加上4个0.1uF的小尺寸，瓷质的电荷泵电容以及一个在电源端起到退耦降噪的电容。
5.结束语
本文分析了热插拔电路设计的必要性，以及热插拔保护电路设计方案，使用内部拥有电荷泵模块的MAX3232作为单片机串口通信的热插拔保护电路，该电路原理简单，元件较少，以较低的成本获得较好的热插拔性能。
参考文献
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[3]宋飞，姚信安，胡世平.刀片式插件板热插拔控制策略研究[J].计算机工程与科学，2012（34）：93-98.
[4]凌有慧，张胡.热插拔的“硬”道理[J].微型计算机，2003（23）：107-111.
[5]刘阿鑫，吕杭炳，刘璟等.一种消除阈值电压影响的高效率电荷泵[J].微电子学，2012，42（6）：800-802，809.
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[7]Yang Zhaonian，Liu HongxiaLi Li，and Zhuo Qingqing.A novel high performance ESD power clamp circuit with a small area.Journal of Semiconductors，2012，33（9）：1-7.
[8]居宇鸿.ESD的危害及其防护[J].中国新技术新产品，2012：247-248.
作者简介
朱雨（1989—），男，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统。
蔡坚勇（1962—），男，副教授，研究生导师，研究方向：数字图像处理、嵌入式终端设计。
郑华（1975-），男，副教授，研究生导师，研究方向：智能检测仪器、嵌入式终端设计。