RS-485 故障保護(hù)偏置：老式收發(fā)器與新式收發(fā)器對(duì)比

許多工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員對(duì)已經(jīng)存在了30年的工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)(例如：RS-485 等)似乎仍然搞不清楚，這令人難以置信。盡管講解這種標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)知識(shí)的文獻(xiàn)有很多，但是TI應(yīng)用團(tuán)隊(duì)仍然每周都會(huì)收到一些基礎(chǔ)性問題，例如：如何把故障保護(hù)偏置應(yīng)用于閑置總線。

故障保護(hù)是指為端接閑置總線提供差動(dòng)電壓的技術(shù)，其目的是讓總線收發(fā)器的接收機(jī)輸出維持在邏輯高電平狀態(tài)。當(dāng)傳統(tǒng)收發(fā)器設(shè)計(jì)用于總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，常常會(huì)要求使用這種技術(shù)。

一些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如：表1所示收發(fā)器，具有±200 mV 的寬輸入敏感度。這意味著，+200 mV 和-200 mV 之間的小輸入信號(hào)可以讓接收機(jī)輸出變高或者低，從而使輸出狀態(tài)變得不確定。

在數(shù)據(jù)傳輸期間，要求滿負(fù)載總線的差動(dòng)線壓高于±1.5 V，其遠(yuǎn)高于收發(fā)器的輸入敏感度。但是，在總線訪問權(quán)限從一個(gè)節(jié)點(diǎn)移交給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)期間或者傳輸暫停期間，總線閑置。使兩個(gè)差動(dòng)信號(hào)對(duì)導(dǎo)體相互連接的低阻抗端接電阻器，讓差動(dòng)總線電壓為0V，剛好位于收發(fā)器輸入敏感度的中間，從而產(chǎn)生一個(gè)不確定的輸出。

因此，為了使接收機(jī)輸出在總線閑置期間保持邏輯高電平，必須對(duì)總線施加一個(gè)高于接收機(jī)正輸入閾值(VIT+ )的正差動(dòng)故障保護(hù)電壓。表1表明，收發(fā)器每提高一代，理論要求故障保護(hù)電平便隨接收機(jī)正輸入閾值改變而下降。盡管收發(fā)器X要求最低+200 mV 的故障保護(hù)偏置，但是收發(fā)器Y和Z均可在沒有它的情況下工作，因?yàn)樗鼈兊恼斎腴撝档陀?V。不幸的是，這些值僅運(yùn)用在無噪環(huán)境下，例如：實(shí)驗(yàn)室或者地球的南北極，肯定不能在惡劣的工廠環(huán)境下使用，而RS-485 網(wǎng)絡(luò)就普遍安裝在這種環(huán)境中。

差動(dòng)噪聲會(huì)進(jìn)入總線，如果這種噪聲的量級(jí)被包括在故障保護(hù)電壓計(jì)算中，則其會(huì)錯(cuò)誤觸發(fā)接收機(jī)輸入。利用一條雙絞線可幫助把線纜噪聲轉(zhuǎn)換為共模噪聲。之后，接收機(jī)的差動(dòng)輸入對(duì)這種噪聲進(jìn)行抑制。但是，線纜不規(guī)則性以及總線節(jié)點(diǎn)連接器出現(xiàn)的噪聲，可能會(huì)促進(jìn)差動(dòng)噪聲的產(chǎn)生，而這種噪聲是無法被接收機(jī)抑制的。

下一頁的圖1表明，當(dāng)噪聲信號(hào)疊加在收發(fā)器X和Y的正輸入閾值電平上時(shí)，最小遲滯電壓決定接收機(jī)輸出出現(xiàn)錯(cuò)誤邏輯狀態(tài)的噪聲電平。表1顯示了從不同產(chǎn)品說明書提取的接收機(jī)參數(shù)，它僅舉出了收發(fā)器Z的最小遲滯電平。使用兩個(gè)老式的收發(fā)器X和Y時(shí)，僅舉出典型的遲滯值。在某種情況下，例如：確定極端情況的最小故障保護(hù)值，典型值沒有意義。實(shí)際上，TI應(yīng)用團(tuán)隊(duì)同時(shí)測(cè)量了收發(fā)器X和Y的最小遲滯電壓，其接近規(guī)定典型值的一半。

表1 第一代、第二代和第三代(X、Y和Z)收發(fā)器的接收機(jī)輸入敏感度

另外，有一種可能性是，給定收發(fā)器情況下，遲滯窗口可能位于正輸入閾值和負(fù)輸入閾值之間的任何位置。因此，進(jìn)行極端情況計(jì)算時(shí)，你必須假設(shè)遲滯窗口位于最高正閾值極限處。因此，要確定足夠高的故障保護(hù)偏置電壓，必須給正輸入閾值電壓添加預(yù)計(jì)峰到峰噪聲電平：VAB(min) = VIT+ + VN(PP_max)。

對(duì)于噪聲電平為VN(PP_max)= 50 mV的高度平衡總線來說，使用收發(fā)器X要求差動(dòng)故障保護(hù)電壓為VAB(min) = 200 mV + 50 mV = 250 mV(圖1)。

在沒有外部偏置的情況下使用相同噪聲電平操作收發(fā)器Y，是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的工作，特別是在最小遲滯遠(yuǎn)小于標(biāo)稱值時(shí)。另外，給正輸入閾值增加噪聲電平，得到最小故障保護(hù)電壓為V

AB(min) = –10 mV + 50 mV = 40 mV 。

更加現(xiàn)代的第三代收發(fā)器Z可以在沒有故障保護(hù)偏置的情況下維持穩(wěn)定的輸出。它的正輸入閾值為–20 mV，規(guī)定最小遲滯為50 mV，允許最大峰到峰噪聲電平為140 mV ，這幾乎3倍于使用外部偏置的傳統(tǒng)器件的抗噪性能。

如果無法使用一些現(xiàn)代收發(fā)器，則后面內(nèi)容介紹的一些計(jì)u-算方法可用于對(duì)傳統(tǒng)收發(fā)器要求的故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

傳統(tǒng)收發(fā)器的故障保護(hù)偏置

圖2顯示了一條端接RS-485 總線及其分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以及由兩個(gè)偏置電阻器(RFS)和一個(gè)終端電阻器(RT1)組成的故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于大多數(shù)作為主/從系統(tǒng)的RS-485應(yīng)用來說，故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)常常安裝于總線的主端，而另一個(gè)線纜端接收匹配典型線路阻抗(Z0)的終端電阻器(RT2)。

故障保護(hù)偏置的主要缺點(diǎn)是其共模負(fù)載。共模負(fù)載是信號(hào)導(dǎo)線和本地收發(fā)器接地之間的電阻。收發(fā)器具有高共模負(fù)載，主要是因?yàn)榻邮諜C(jī)的輸入電壓分壓器(圖3)把輸入信號(hào)降低了9倍以上。

內(nèi)部電阻器網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)A和B總線端施加一個(gè)共模負(fù)載，其可表示為組合輸入電阻(RIN)。那么，可以通過A和B線路的等效輸入電阻(RINEQ)表示整個(gè)收發(fā)器網(wǎng)絡(luò)的總共模電阻。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每條總線的最大共模負(fù)載為375。初始，該值僅分配給總線收發(fā)器。實(shí)現(xiàn)一個(gè)故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)會(huì)消耗大量的這種負(fù)載，因此僅允許少數(shù)收發(fā)器連接至總線。

圖4顯示了一條RS-485 總線的集中等效電路。可根據(jù)規(guī)定故障保護(hù)總線電壓(VAB)、電源電壓(VS)、RFS 和RINEQ引起的共模負(fù)載以及特性線路阻抗(Z0)，來計(jì)算這種電路允許故障保護(hù)電阻器值。計(jì)算節(jié)點(diǎn)A和B 的電流，然后求解各自線壓(VA和VB)得到：

就節(jié)點(diǎn)A而言：

就節(jié)點(diǎn)B而言，考慮到兩個(gè)壓線之間的差異，并確保故障保護(hù)偏置在最小電源條件以下，可計(jì)算得到要求的最小故障保護(hù)總線電壓：

由于RFS與RINEQ共同組成一條信號(hào)線的總共模負(fù)載，因此兩條信號(hào)線的并聯(lián)值不得超出375.的規(guī)定最大值，其可表示為：

在遠(yuǎn)線纜端，終端電阻器(RT2)必須匹配特性線路阻抗(Z0)：

在偏置網(wǎng)絡(luò)處，RT1和兩個(gè)故障保護(hù)電阻器的并聯(lián)組合也必須匹配Z0：

插入方程式2、3和4到方程式1中，得到總線故障保護(hù)電壓：

求解方程式5的RFS，得到每個(gè)故障保護(hù)電阻器的值：

知道RFS以后，RT1可從方程式4得到。一旦故障保護(hù)網(wǎng)絡(luò)建立起來，可連接至總線的最大收發(fā)器數(shù)量可通過如下方法得到：

其中，ULXCVR 為收發(fā)器的額定單位負(fù)載(UL)。典型設(shè)計(jì)過程是，首先通過方程式6計(jì)算RFS，然后再通過方程式4計(jì)算RT1，并使RT2=Z0。最后，方程式7可用于計(jì)算可能的總收發(fā)器最大數(shù)目。

表2所示設(shè)計(jì)舉例描述了這種典型的設(shè)計(jì)過程。該表還突出顯示了使用1-UL 、5V收發(fā)器(X)網(wǎng)絡(luò)與使用1. 8-UL、3.3V收發(fā)器(Y)網(wǎng)絡(luò)之間的故障保護(hù)偏置差異。

表2 故障保護(hù)偏置影響總線收發(fā)器數(shù)目舉例

結(jié)論

第一代收發(fā)器要求的高故障保護(hù)電壓故障保護(hù)偏置導(dǎo)致大共模負(fù)載，并且必須減少總線收發(fā)器數(shù)目。使用更小輸入敏感度和更低單位負(fù)載的第二代收發(fā)器，可通過兼顧高收發(fā)器數(shù)目來提高低噪聲電平下的性能。但是，兩全其美的辦法是現(xiàn)在的第三代收發(fā)器，例如：TI的3V SN65HVD7x系列和5V SN65HVD8x系列。這些新型收發(fā)器擁有如下優(yōu)點(diǎn)：

·它們不要求使用外部偏置電阻器網(wǎng)絡(luò)(會(huì)給總線帶來大共模負(fù)載)，從而減少了連接總線的收發(fā)器數(shù)目。

·它們最大允許一條總線上256個(gè)收發(fā)器。

·它們可承受高噪聲電平。

·它們對(duì)12kV IEC ESD 和4kV IEC 脈沖瞬態(tài)有很強(qiáng)的抵抗能力

·它們比傳統(tǒng)收發(fā)器更便宜，并且有些使用更小的封裝，實(shí)現(xiàn)成本和空間節(jié)省。

·設(shè)計(jì)人員不必花費(fèi)時(shí)間研究數(shù)學(xué)計(jì)算難題，例如：本文中介紹的數(shù)學(xué)計(jì)算方法。