認(rèn)識(shí)RS-485收發(fā)器的臨界總線電壓

RS-485憑借其穩(wěn)健耐用性和高可靠性，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)嘈雜工業(yè)環(huán)境中最常用的應(yīng)用接口技術(shù)。隨著越發(fā)寬泛的工作范圍以及與更高抑制性能組合在一起的趨勢(shì)催生了現(xiàn)代性能已經(jīng)超過最初的RS-485標(biāo)準(zhǔn) (EIA/TIA485)的收發(fā)器設(shè)計(jì)。

全新的收發(fā)器技術(shù)規(guī)格在組件數(shù)據(jù)表中給出了這些性能方面的提升，然而，這些技術(shù)規(guī)格經(jīng)常被終端用戶，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，錯(cuò)誤地解讀。例如，在對(duì)絕對(duì)最大額定值 (AMR) 部分與建議運(yùn)行條件 (ROC) 下分別對(duì)給出的收發(fā)器最大電壓電平進(jìn)行比較時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)混淆。

用戶經(jīng)常會(huì)問到這樣的問題：在絕對(duì)最大額定值條件下，收發(fā)器能夠可靠地發(fā)送數(shù)據(jù)嗎?為什么ROC下的輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于AMR中的值?共模電壓范圍是如何定義的?

由于收發(fā)器數(shù)據(jù)表很少提供這些參數(shù)的詳細(xì)解釋，本篇文章將調(diào)整這一點(diǎn)。我們首先解釋一下收發(fā)器的基本工作方式，然后是如何從中得出共模電壓項(xiàng)。最后，我們將講解最大限度的工作條件。

基本收發(fā)器工作方式

驅(qū)動(dòng)器

收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)器部分由一個(gè)H橋輸出級(jí)組成。數(shù)據(jù)輸入D上的一個(gè)邏輯高電平會(huì)接通晶體管Q2和Q3。這將使電流從A端子驅(qū)動(dòng)到B端子。D上的邏輯低電平接通Q1和Q4，并以相反的方向驅(qū)動(dòng)電流，即從B至A。

反向泄露保護(hù)二極管和晶體管導(dǎo)通電阻組成的內(nèi)部電阻值形成一個(gè)具有外部差分負(fù)載電阻RD的分壓器。這使得線路電壓VA和VB明顯小于電源電壓VCC(圖1)。

如此所獲得的互補(bǔ)線路電壓，VA和VB代表兩個(gè)直流電壓電平，這個(gè)電壓在平均直流電平(為2條總線線路的共同電壓)附近擺動(dòng)。這個(gè)電壓被稱為驅(qū)動(dòng)器共模輸出，或者輸出偏移電壓，VOS。

這個(gè)共模電壓是顯而易見的，而差分輸出電壓為通過使兩個(gè)等式相等后算出的線路電壓生成量。因此，驅(qū)動(dòng)器可以表示為一個(gè)具有共模分量VOS的信號(hào)源。共模分量VOS由互補(bǔ)差分分量重疊。

圖1

接收器

一個(gè)收發(fā)器的接收器部分在每個(gè)輸入上包含一個(gè)電阻分壓器，R1/R2，之后是一個(gè)比較器。分壓器以10:1的比率減弱輸入信號(hào)，VA和VB。這個(gè)比率決定了A和B上的最大適用接收器輸入電壓。

由于分壓器以接收器接地為基準(zhǔn)，共模和差分電壓分量的衰減率一樣。然后，差分比較器移除共模信號(hào)，并且只對(duì)差分輸入信號(hào)作出反應(yīng)，VID = VA - VB。因此，標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器輸出R，在VID >200mV時(shí)變?yōu)楦唠娖剑赩ID-200mV時(shí)變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖2顯示的是每個(gè)接收器輸入均具有RCM = R1 + R2的共模輸入電阻，以及RIN = 2 RCM的差分輸入電阻。RCM導(dǎo)致針對(duì)每條總線線路的共模負(fù)載，也就是說，兩條線路上的共模電壓驅(qū)動(dòng)電流流經(jīng)RCM，流向接收器接地。相對(duì)地，RIN使差分負(fù)載電流在總線線路之間流動(dòng)。

圖2

最大接收器輸入電壓范圍

RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了-7V至+12V的共模輸入范圍，以及驅(qū)動(dòng)器與遠(yuǎn)程接收器之間±7V的最大接地電勢(shì)差 (GPD)。圖3顯示了用于最大可能總線電壓的數(shù)據(jù)鏈路示例。在這個(gè)情況下，此鏈路是一條未端接的點(diǎn)到點(diǎn)連接。單個(gè)接收器代表輕負(fù)載，從而使得線路電壓在整個(gè)電源軌內(nèi)擺動(dòng)。

圖3

一個(gè)極端情況就是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的輸出相對(duì)于驅(qū)動(dòng)器接地 (GNDD) 為5V時(shí)，此時(shí)的GPD = -7V。在這個(gè)情況下，相對(duì)于接收器接地 (GNDR) 的最大正接收器輸入電壓為+12V。另外一個(gè)極端情況就是驅(qū)動(dòng)器輸出電壓相對(duì)于GNDD為0V，此時(shí)的GPD = +7V。這一情況下，相對(duì)于GNDR的最大負(fù)接收器輸入為-7V。

為了確?？煽繑?shù)據(jù)傳輸，最大接收器輸入電壓范圍在+12V至-7V之間。需要注意的是，GPD是驅(qū)動(dòng)器與接收器接地之間的電勢(shì)差，并且代表添加至驅(qū)動(dòng)器輸出偏移的第二共模電壓。一條數(shù)據(jù)鏈路的總體共模電壓，VCM，為VCM = VOS + GPD。

對(duì)于RS-485的一個(gè)進(jìn)一步要求就是驅(qū)動(dòng)器必須能夠在±7V的滿GPD上驅(qū)動(dòng)32個(gè)單位負(fù)載。一個(gè)單位負(fù)載代表一個(gè)共模負(fù)載，并且定義為在12V直流輸入電壓上的1mA直流輸入電流。這將產(chǎn)生一個(gè)12kΩ的直流輸入電阻。傳統(tǒng)收發(fā)器通常具有1UL共模負(fù)載，而現(xiàn)代組件的單位負(fù)載往往為1/8UL，也就是說輸入電流為傳統(tǒng)輸入電流的1/8，或者說對(duì)地的輸入電阻要高8倍。為了測(cè)試最大共模負(fù)載，一般使用圖4中的測(cè)試電路。

圖4

在這里，60Ω的差分電阻代表分別位于總線兩端的2個(gè)120Ω端接電阻器。375Ω電阻器類似于32個(gè)單位負(fù)載，可以是32 x 1UL收發(fā)器或者是258 x 1/8UL收發(fā)器。±7V的對(duì)稱GPD被范圍介于-7V至+12V的測(cè)試電壓所取代，其目的是為了測(cè)試對(duì)稱收發(fā)器輸入性能。例如，如果驅(qū)動(dòng)器能夠在其輸入上提供滿電源范圍，此時(shí)輸出為5V并且VTEST = -7V，接收器相對(duì)于接收器接地的輸入電壓將為+12V。對(duì)于0V輸出電壓和VTEST = +12V的情況，接收器相對(duì)于接收器接地的輸入電壓將為-12V。

最小和最大收發(fā)器輸入電壓額定值分別為-12V和+12V。由于必須在這個(gè)電壓范圍內(nèi)確保可靠數(shù)據(jù)傳輸，這些值為建議工作條件下 (ROC) 規(guī)定的額定值。

需要注意的是，這些建議最大值假定0V至5V的最大驅(qū)動(dòng)器輸出范圍。而實(shí)際共模電壓范圍要小很多。對(duì)于一個(gè)5V收發(fā)器，VCM+計(jì)算為VCM = 2.5V + 7V = +9.5V，而VCM- = 2.5 – 12V = -9.5V。

絕對(duì)最大額定值

在RS-485數(shù)據(jù)線路與24Vdc電力線并行的應(yīng)用中，必須在收發(fā)器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)安全性功能，以避免在發(fā)生諸如電力線和數(shù)據(jù)線的電纜絕緣層破損的短路故障時(shí),比如等對(duì)器件造成損壞。

一個(gè)常見的解決方案就是在驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)內(nèi)采用高壓晶體管。這個(gè)輸出級(jí)可以對(duì)短時(shí)高壓瞬態(tài)以及長時(shí)間過壓電勢(shì)進(jìn)行充分抑制。工業(yè)系統(tǒng)中的一個(gè)常見要求就是收發(fā)器必須能夠耐受24V電源線的永久性短接。

然而能夠防止收發(fā)器受到24V損壞的外部瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)是不能使用的。相反地，使用的任何24V組件必須首先保護(hù)24V電源。事實(shí)上24V只是標(biāo)稱值，很多電源系統(tǒng)能夠表現(xiàn)出高達(dá)35V的變化范圍。這就將所需的TVS擊穿電壓增加到36V。具有如此之高擊穿電壓的TVS二極管通常提供高達(dá)60V的鉗位電壓。為了能夠耐受這些高瞬態(tài)電壓，收發(fā)器必須提供65V至70V以上的抑制電壓。

這些抑制電壓電平是絕對(duì)最大額定值下規(guī)定的值。任何更高的電壓電平將觸發(fā)收發(fā)器的內(nèi)部靜電放電 (ESD) 保護(hù)電路。然而，這些ESD電路只設(shè)計(jì)用于極短瞬態(tài)過壓，并且不能夠保護(hù)器件免受長時(shí)間電氣過應(yīng)力的影響。

最最重要的一點(diǎn)就是千萬不要超過絕對(duì)最大額定值中規(guī)定的電壓電平。

結(jié)論

嚴(yán)格遵守建議工作條件部分中給出的電壓電平確保了整個(gè)收發(fā)器電源和溫度額定值范圍內(nèi)的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

絕對(duì)最大額定值部分中規(guī)定的電壓電平代表了最大值，超過這些最大值，器件就會(huì)損壞。在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于絕對(duì)最大額定值的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸。

參考文獻(xiàn)

1.具有擴(kuò)展共模范圍的故障保護(hù)RS-485收發(fā)器數(shù)據(jù)表 (SLLS872H)，德州儀器 (TI)