調(diào)整RS-485系統(tǒng)所需功率的方法

本文介紹了RS-485數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的節(jié)能方法。方法包括低功耗收發(fā)器集成電路（IC）、內(nèi)置故障安全閾值的IC（允許消除電纜故障安全電阻）、使用CMOS而不是TTL驅(qū)動器、在不傳輸時(shí)采用驅(qū)動器禁用功能、在低數(shù)據(jù)速率短電纜長度應(yīng)用中消除端接電阻，以及在可行的情況下在3.3V電源下工作。MAX3088和MAX3471是推薦的方案。

如果您了解如何同時(shí)保持良好的傳輸質(zhì)量，那么在飽和功率高的RS-485設(shè)計(jì)中減少脂肪很簡單。以下討論涵蓋了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)應(yīng)該知道的事實(shí)、神話和骯臟的伎倆。

工業(yè)和樓宇自動化系統(tǒng)包括各種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集設(shè)備，這些設(shè)備通過中央單元發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，該中央單元使數(shù)據(jù)可供用戶和其他處理器使用。數(shù)據(jù)記錄儀和抄表儀是這些應(yīng)用的典型特征。RS-485標(biāo)準(zhǔn)定義了近乎理想的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，該標(biāo)準(zhǔn)通過單根雙絞線電纜互連數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

由于RS-485網(wǎng)絡(luò)中的許多數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)收集設(shè)備都是小型手持式電池供電設(shè)備，因此節(jié)能對于控制其熱量積聚和延長電池壽命是必要的。同樣，對于手持式儀器和其他使用RS-485接口將數(shù)據(jù)下載到主機(jī)處理器的應(yīng)用來說，功耗也是一個(gè)問題。

所有的力量都去哪兒了？

功率損耗的一個(gè)明顯指標(biāo)是收發(fā)器的靜態(tài)電流（IQ），現(xiàn)代零件大大減少了這一因素。表1比較了低功耗CMOS收發(fā)器與雙極性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)75176的靜態(tài)電流。

RS-485收發(fā)器的另一個(gè)功耗特性在空載、驅(qū)動器使能和交變輸入信號的條件下很明顯。由于應(yīng)始終避免使用開路RS-485線路，因此驅(qū)動器在每次輸出轉(zhuǎn)換期間都會“撬棍”其輸出結(jié)構(gòu)。兩個(gè)輸出晶體管的短暫導(dǎo)通同時(shí)會產(chǎn)生電源電流尖峰。一個(gè)足夠大的輸入電容可以平滑這些電流尖峰，產(chǎn)生一個(gè)RMS電流，該電流隨著數(shù)據(jù)速率的增加而增加，直至達(dá)到最大值。對于MAX1483收發(fā)器，最大值約為15mA。

將標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器連接到最小負(fù)載（一個(gè)其他收發(fā)器、兩個(gè)終端電阻器和兩個(gè)故障保護(hù)電阻器），可以在更現(xiàn)實(shí)的條件下測量電源電流對數(shù)據(jù)速率的依賴性。圖2顯示了MAX1483收發(fā)器在以下條件下的ICC與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系：標(biāo)準(zhǔn)560Ω/120Ω/560Ω電阻器、VCC=5V、DE=/RE=VCC和1000英尺電纜。

如圖2所示，即使在極低的數(shù)據(jù)速率下，電源電流也增加到約37mA;這主要是由于增加了端接和故障安全偏置電阻。對于低功耗應(yīng)用，這應(yīng)該表明所用端接類型的重要性以及如何實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。故障保護(hù)將在下一節(jié)中介紹，有關(guān)終止的詳細(xì)說明，請參閱“終止的骯臟伎倆”一節(jié)。

故障

對于-485mV至+200mV之間的RS-200接收器輸入，輸出未定義。也就是說，如果半雙工配置的RS-485側(cè)的差分電壓為0V，并且沒有主收發(fā)器驅(qū)動線路（或連接松動），則邏輯“高”輸出與邏輯“低”輸出一樣可能。為了確保在這些條件下獲得定義的輸出，當(dāng)今大多數(shù)RS-485收發(fā)器都需要故障保護(hù)偏置電阻：一條線路（A）上的上拉電阻和另一條線路（B）上的下拉電阻，如圖1所示。過去，大多數(shù)原理圖上的故障保護(hù)偏置電阻標(biāo)記為560Ω，但為了降低功率損耗（僅端接一端時(shí)），可以將該值增加到約1.1kΩ。一些設(shè)計(jì)人員端接兩端的電阻值介于 1.1kΩ 和 2.2kΩ 之間。權(quán)衡是抗噪性與電流消耗。

圖1.三個(gè)外部電阻構(gòu)成該RS-485收發(fā)器的端接和故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)。

圖2.MAX1483收發(fā)器的電源電流隨數(shù)據(jù)速率而變化，如圖所示。

收發(fā)器制造商首先通過在接收器輸入端提供內(nèi)部上拉電阻來避免外部偏置電阻，但這種方法僅對檢測開路有效。這些偽故障安全接收器中使用的上拉電阻太弱，無法定義端接總線的接收器輸出。其他避免外部電阻的嘗試違反了RS-485規(guī)范，將接收器門限更改為0V至-0.5V之間的電平。

ADI公司的MAX3080和MAX3471系列收發(fā)器通過指定-50mV至-200mV的精密接收器閾值范圍解決了這兩個(gè)問題，從而消除了對故障保護(hù)偏置電阻的需求，同時(shí)完全符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)。這些器件確保接收器輸入端的0V產(chǎn)生邏輯“高”輸出。此外，這種設(shè)計(jì)保證了開路和短路條件下已知的接收器輸出狀態(tài)。

如何省電？

如表1所示，收發(fā)器的靜態(tài)電流消耗差異很大。因此，節(jié)能的第一步是選擇低功耗器件，例如MAX3471（禁用驅(qū)動器時(shí)為2.8μA，最高可達(dá)64kbps）。由于收發(fā)器的功耗在傳輸過程中大幅增加，因此另一個(gè)目標(biāo)是通過發(fā)送短數(shù)據(jù)報(bào)文和較長的等待時(shí)間來最大限度地減少驅(qū)動器的工作時(shí)間。表 2 顯示了典型串行傳輸電報(bào)的結(jié)構(gòu)。

RS-485系統(tǒng)，包括1單位負(fù)載接收器（32個(gè)可尋址器件），可以具有以下位：5個(gè)地址位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、起始位（所有幀）、停止位（所有幀）、奇偶校驗(yàn)位（可選）和CRC位（可選）。這種配置的最小報(bào)文長度為 20 位。對于安全傳輸，您必須發(fā)送其他信息，例如數(shù)據(jù)長度、發(fā)送地址和方向，這會導(dǎo)致報(bào)文長度高達(dá) 255 字節(jié)（2040 位）。

電報(bào)長度的這種變化犧牲了總線時(shí)間和功耗來確保數(shù)據(jù)安全，電報(bào)結(jié)構(gòu)由X.25等標(biāo)準(zhǔn)定義。例如，以20kbps的速度傳輸200位需要100μs。使用MAX1483每秒以200kbps的速度發(fā)送數(shù)據(jù)，要求平均電流

（100μs*53mA + （1s - 100μs）* 20μA）/1s = 25.3μA

當(dāng)收發(fā)器處于空閑模式時(shí)，必須禁用其驅(qū)動器以實(shí)現(xiàn)最低功耗。報(bào)文長度對單個(gè)MAX1483驅(qū)動器功耗的影響如表3所示，該驅(qū)動器在傳輸之間有規(guī)定的中斷。使用關(guān)斷模式可以進(jìn)一步限制系統(tǒng)中的功耗，該系統(tǒng)提供固定時(shí)間輪詢技術(shù)或傳輸之間更長的確定性中斷。

除了這些軟件考慮因素外，硬件在功耗方面還有很大的改進(jìn)空間。圖3比較了各種收發(fā)器在啟用驅(qū)動器和接收器的情況下通過1000英尺電纜傳輸方波時(shí)消耗的電源電流。75ALS176和MAX1483在總線兩端接標(biāo)準(zhǔn)560Ω/120Ω/560Ω網(wǎng)絡(luò)，“真故障保護(hù)”器件（MAX3088和MAX3471）在總線兩端只有120Ω端接電阻。在20kbps時(shí)，電源電流范圍為12.2mA （MAX3471 with V抄送= 3.3V） 至 70mA （75ALS176）。因此，當(dāng)您選擇具有真正故障保護(hù)功能的低功耗器件時(shí)，可以立即節(jié)省大量功耗，這也消除了對偏置電阻（接地和至V）的需求。抄送).確保您選擇的RS-485接收器在差分接收線路上的短路和開路條件下產(chǎn)生有效的邏輯輸出電平。

圖3.IC收發(fā)器的電源電流與數(shù)據(jù)速率差異很大。

終止的骯臟伎倆

如上所述，端接電阻消除了阻抗失配引起的反射，但它們的缺點(diǎn)是額外的功耗。它們的影響如表4所示，其中列出了各種收發(fā)器（驅(qū)動器使能）在無電阻、僅端接電阻和端接/故障安全偏置電阻組合的條件下的電源電流。

不終止

降低功耗的第一種方法是完全消除端接電阻。此選項(xiàng)僅適用于短電纜和低數(shù)據(jù)速率，它們允許反射在接收器中采樣之前建立。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)信號的上升時(shí)間至少比通過電纜的單向傳播延遲長四倍時(shí)，不需要端接。在以下步驟中，使用此規(guī)則計(jì)算未端接電纜的最大可用長度：

第 1 步。對于所討論的電纜，求單向傳播速度，通常由電纜制造商提供，作為自由空間中光速的百分比 （c = 3x108米/秒）。標(biāo)準(zhǔn)絕緣 PVC 電纜（由 #24 AWG 雙絞線組成）的典型值為 8in/ns。

第 2 步。對于RS-485收發(fā)器，找到其最小上升時(shí)間（t分鐘升） 來自數(shù)據(jù)表規(guī)格。例如，MAX3471的額定值為750ns。

第 3 步。將最小上升時(shí)間除以 4。對于MAX3471，t分鐘升/4 = 750ns/4 = 187.5ns。

第 4 步。計(jì)算無需端接的最大電纜距離：187.5ns（8英寸/秒）（1英尺/12英寸）= 125英尺。

因此，MAX3471在64英尺電纜上以125kbps的速度發(fā)送和接收時(shí)，無需終端，也能保持良好的信號質(zhì)量。圖4所示為MAX3471電源電流顯著降低，用100英尺電纜和1000Ω終端電阻代替120英尺電纜和<>Ω終端電阻。

圖4.電阻端接表示功率的重大損失。

遙控端接

乍一看，RC端接阻斷直流電流的能力非常有前途。但是，您會發(fā)現(xiàn)此技術(shù)施加了特定的條件。端接由差分接收器輸入（A和B）上串聯(lián)的R和C組成，如圖5所示。盡管 R 始終等于電纜的特性阻抗 （Z0），C的選擇需要一些判斷。較大的 C 值允許任何信號看到與 Z 匹配的 R 來提供良好的端接0，但較大的值也會增加驅(qū)動器的峰值輸出電流。不幸的是，較長的電纜需要更大的 C 值。關(guān)于優(yōu)化 C 值的整篇文章都寫了關(guān)于這種權(quán)衡。您可以在本文末尾的參考資料中找到用于此目的的詳細(xì)方程。

圖5.RC 端接可降低功率損耗，但需要仔細(xì)選擇 C 值。

平均信號電壓是另一個(gè)經(jīng)常被忽視的重要因素。除非平均信號電壓是直流平衡的，否則直流階梯效應(yīng)會由于模式相關(guān)的偏斜（稱為“碼間干擾”）而引起顯著抖動。簡而言之，RC端接可有效降低電源電流，但它們往往會破壞信號質(zhì)量。由于RC端接對其使用施加了如此多的限制，因此在許多情況下，更好的替代方案是根本不使用端接。

肖特基二極管端接

肖特基二極管在關(guān)注功耗時(shí)提供另一種端接。與其他端接類型不同，肖特基二極管不嘗試匹配線路阻抗。相反，它們只是夾緊由反射引起的過沖和下沖。因此，電壓偏移僅限于正電源軌加上一個(gè)方向上的肖特基二極管正向壓降，以及另一個(gè)方向的接地減去肖特基壓降。

肖特基二極管端接幾乎不會浪費(fèi)功率，因?yàn)樗鼈儍H在存在過沖和下沖的情況下導(dǎo)通。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)電阻端接（帶或不帶故障安全偏置電阻）連續(xù)消耗功率。圖6顯示了肖特基二極管用于消除反射的目的。肖特基二極管不能實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)工作，但MAX308X和MAX3471收發(fā)器允許的門限電壓選擇允許使用這種類型的終端實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)工作。

圖6.肖特基二極管端接雖然昂貴，但具有許多優(yōu)點(diǎn)。

理想二極管的最佳近似值（零正向電壓Vf，零導(dǎo)通時(shí)間 t上和零反向恢復(fù)時(shí)間 tRR）是肖特基二極管，因其在取代高功率端接電阻器方面的價(jià)值而備受關(guān)注。缺點(diǎn)是，RS-485/RS-422系統(tǒng)中的肖特基二極管端接無法箝位所有反射。一旦反射衰減到肖特基正向電壓以下，其能量就不受終端二極管的影響，并持續(xù)存在，直到電纜耗散。這種揮之不去的干擾是否是一個(gè)問題取決于接收器輸入端的信號幅度。

肖特基端接的一個(gè)主要缺點(diǎn)是成本。一個(gè)端接需要兩個(gè)二極管。由于RS-485/RS-422總線是差分的，因此該數(shù)字再次乘以6（圖<>）。公共汽車上有多個(gè)肖特基終結(jié)器并不少見。

肖特基二極管端接對于 RS-485/RS-422 系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢，其中最主要的是節(jié)能（圖 7）。無需計(jì)算，因?yàn)樵谛ぬ鼗私悠魇┘尤魏蜗拗浦?，將滿足電纜長度和數(shù)據(jù)速率的指定最大值。另一個(gè)優(yōu)勢是，不同短截線和接收器輸入端的多個(gè)肖特基終結(jié)器在不加載通信總線的情況下提高了信號質(zhì)量。

圖7.RS-485系統(tǒng)中的電源電流隨數(shù)據(jù)速率和端接類型而變化很大。

總結(jié)

當(dāng)數(shù)據(jù)速率高且電纜較長時(shí)，RS-485系統(tǒng)中的“弱電”很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾枰€路端接。在這種情況下，具有“真正故障安全”接收器輸出的收發(fā)器無需故障保護(hù)偏置電阻，即使在使用端接時(shí)也能節(jié)省功耗。軟件通信結(jié)構(gòu)還可以通過將收發(fā)器置于關(guān)斷狀態(tài)或在不使用時(shí)禁用驅(qū)動程序來降低功耗。

對于較低的數(shù)據(jù)速率和較短的電纜，功率差異是巨大的：使用具有60Ω端接的標(biāo)準(zhǔn)SN100ALS75收發(fā)器通過176英尺電纜以120kbps的速度發(fā)送數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)電源消耗70mA電流。另一方面，在相同條件下使用MAX3471時(shí)，電源僅消耗2.5mA電流。

審核編輯：郭婷