選擇合適的RS-232收發(fā)器

本文旨在幫助設(shè)計(jì)工程師對(duì)RS-232接口產(chǎn)品中可用的各種功能進(jìn)行分類。所描述的主要特性包括穩(wěn)壓電荷泵、自動(dòng)關(guān)斷、RS-232兼容與兼容操作、ESD保護(hù)以及包括兆波特操作在內(nèi)的數(shù)據(jù)速率。

RS-232 背景

盡管開(kāi)發(fā)了更新的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，但不起眼的RS-232串行端口仍然是一種非常流行的數(shù)據(jù)傳輸方式。RS-232接口堅(jiān)固且易于使用，仍然是要求更高、要求更高的數(shù)字接口的有吸引力的替代品。本應(yīng)用筆記描述了主要特性，并幫助設(shè)計(jì)人員選擇合適的RS-232收發(fā)器。需要考慮的因素包括：

電源要求

功耗/電池壽命功能（如自動(dòng)關(guān)機(jī)）

速度（數(shù)據(jù)速率）

符合信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)

增強(qiáng)型靜電保護(hù)

隔離功能

包裝尺寸

單電源RS-232收發(fā)器

RS-232標(biāo)準(zhǔn)要求低電平為+5V（最小值），高電平為-5V（最小值）。更高的電壓擺幅可確保信號(hào)通過(guò)有損電纜傳輸?shù)絉S-232接收器后具有更大的抗噪性。早期的RS-232收發(fā)器（如MAX1488和MAX3185，至今仍在使用）需要雙電源。大多數(shù)電路板都包括一個(gè)負(fù)電源，僅用于為這些設(shè)備供電。

1987年，Maxim推出首款單電源RS-232器件MAX232。MAX232（和其他單電源器件）包括兩個(gè)電荷泵。第一個(gè)電荷泵將+5V加倍至約+10V，第二個(gè)電荷泵將+10V電荷泵輸出反相至-10V。由于這些電荷泵未穩(wěn)壓，發(fā)送器的正負(fù)輸出電壓通常遠(yuǎn)低于+10V和-10V。電源壓降的深度是發(fā)射器驅(qū)動(dòng)的電纜電容和數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。

MAX232迅速成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。許多電路板設(shè)計(jì)人員至今仍在使用MAX232，盡管單電源器件多年來(lái)經(jīng)歷了廣泛的改進(jìn)。了解新器件的特性將有助于設(shè)計(jì)工程師為應(yīng)用選擇最佳器件。

RS-232收發(fā)器采用低壓?jiǎn)坞娫垂╇?/p>

隨著電源電壓從+5V降至+3.3V或更低，單電源RS-232收發(fā)器跟上了步伐。由3.0V至5.5V電壓供電的收發(fā)器使用兩個(gè)穩(wěn)壓電荷泵，而不是僅由+5V供電的器件中使用的非穩(wěn)壓類型。單個(gè)穩(wěn)壓電荷泵不會(huì)使輸入電壓加倍，而是將輸入電壓提升至約+5.4V。第二個(gè)穩(wěn)壓電荷泵將+5.4V電源反相至約-5.4V。這構(gòu)成了顯著的節(jié)能，因?yàn)轵?qū)動(dòng)±5.4V與±10V電纜的容性負(fù)載所需的能量更少。一旦達(dá)到目標(biāo)輸出電壓，就關(guān)閉（跳過(guò)周期）相應(yīng)的電荷泵，從而進(jìn)一步節(jié)省能源。

當(dāng)設(shè)計(jì)工程師首次發(fā)現(xiàn)這些器件時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)有關(guān)抗噪性的問(wèn)題。然而，這些器件的抗噪性非常出色，盡管隨著電纜變長(zhǎng)和容性負(fù)載增加，穩(wěn)壓電荷泵更努力地保持±5.4V輸出。事實(shí)上，±5.4V輸出在采用穩(wěn)壓電荷泵的器件中，使用更長(zhǎng)的電纜和更高的數(shù)據(jù)速率可以更好地保持輸出，而不是使用輸出最初具有較高電壓的非穩(wěn)壓電荷泵的器件。

Maxim還提供一系列RS-232收發(fā)器，工作電壓低至2.35V。Maxim甚至具有兩個(gè)超低功耗RS-232收發(fā)器，MAX218和MAX3218，它們使用電感和電容，允許采用+1.8V單電源供電。

通過(guò)自動(dòng)關(guān)機(jī)技術(shù)延長(zhǎng)電池壽命

許多RS-232收發(fā)器提供簡(jiǎn)單的關(guān)斷功能，可通過(guò)對(duì)關(guān)斷引腳施加邏輯電平來(lái)激活。由于大多數(shù)RS-232器件僅在短時(shí)間內(nèi)使用，因此關(guān)斷功能可以節(jié)省能源并增加便攜式設(shè)備電池的運(yùn)行時(shí)間。

其他RS-232器件集成了更高級(jí)的功能，稱為自動(dòng)關(guān)斷，通常將關(guān)斷電源電流限制在1uA。這些設(shè)備可以確定傳輸電纜是否連接到RS-232收發(fā)器。如果電纜未連接到RS-232收發(fā)器，則設(shè)備將進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，直到檢測(cè)到傳輸電纜的存在。配備自動(dòng)關(guān)斷功能的收發(fā)器監(jiān)控其接收器輸入端的RS-232信號(hào)，以確定電纜是否已連接。當(dāng)沒(méi)有電纜時(shí)，RS-232接收器輸入端的信號(hào)約為0V。如果收發(fā)器檢測(cè)到所有接收器輸入都在-0.3V至+0.3V之間，大于30μS，則假定未連接有效的發(fā)送器電纜，并將自動(dòng)將自身置于低功耗模式（關(guān)斷）。如果接收器的任何一個(gè)輸入超過(guò)+2.7V（即，只要重新連接電纜），該器件將自動(dòng)退出關(guān)斷狀態(tài)。此功能可以通過(guò)強(qiáng)制打開(kāi)或關(guān)閉設(shè)備的信號(hào)覆蓋。參見(jiàn)圖1。MAX3228E、MAX3229E和MAX3246E是具有自動(dòng)關(guān)斷功能的收發(fā)器的三個(gè)示例。

圖1.RS-232收發(fā)器中集成的Autoshutdown Plus邏輯允許收發(fā)器在30秒間隔內(nèi)檢測(cè)到其發(fā)射器或接收器輸入端的信號(hào)交易，就可以保持通電狀態(tài)。否則，當(dāng)信號(hào)之間的間隔大于 30 秒時(shí)，收發(fā)器會(huì)自動(dòng)關(guān)斷。施加到 FORCEON 和/FORCEOFF 輸入的邏輯電平可打開(kāi)和關(guān)閉器件的電源，覆蓋由接收器和發(fā)射器輸入信號(hào)活動(dòng)控制的 Autoshutdown Plus 邏輯。

Autoshutdown Plus與Autoshutdown類似，因?yàn)樗荚谕ㄟ^(guò)在不使用RS-232設(shè)備時(shí)關(guān)閉RS-30設(shè)備來(lái)節(jié)省功耗。Autoshutdown Plus 會(huì)在電纜斷開(kāi)連接時(shí)關(guān)閉收發(fā)器，以及當(dāng)電纜連接且 232 秒或更長(zhǎng)時(shí)間未檢測(cè)到數(shù)據(jù)邊緣時(shí)。這樣，無(wú)論電纜是否已連接，您都可以獲得自動(dòng)關(guān)機(jī)的好處。Autoshutdown-Plus 器件監(jiān)控 RS-30 接收器輸入和數(shù)字發(fā)射器輸入的信號(hào)活動(dòng);如果在 1 秒內(nèi)任何這些線路上沒(méi)有活動(dòng)，則會(huì)關(guān)閉。與自動(dòng)關(guān)機(jī)一樣，您可以使用覆蓋自動(dòng)關(guān)機(jī)加功能的引腳強(qiáng)制打開(kāi)或關(guān)閉器件。參見(jiàn)圖3238。MAX3380E、MAX3381E、MAX3226E、MAX3246E和MAX<>E是具有自動(dòng)關(guān)斷增強(qiáng)功能的五款收發(fā)器。

兼容與合規(guī)

為了符合RS-232規(guī)范，變送器需要提供±5V輸出信號(hào)電平。要使RS-232接收器符合要求，其閾值必須為最大±3V。因此，這些器件以健康的±2V噪聲容限工作。因此，可以侵蝕一定比例的裕量，同時(shí)仍保持準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)發(fā)射器輸出電壓范圍較窄時(shí)，裕量會(huì)減小。當(dāng)發(fā)射器輸出最小為±3.7V時(shí)，它們被認(rèn)為是兼容的，而不是兼容的RS-232輸出。例如，如果用±232V電源為不包含電荷泵（因此更便宜、更小）的RS-5器件供電，則其輸出電壓不可能達(dá)到±5V。在這些條件下工作且發(fā)射器輸出至少為±3.7V的設(shè)備被稱為RS-232兼容而不是兼容。

增強(qiáng)型靜電保護(hù)

所有RS-232器件的端子上都包含ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，以防止在處理和組裝過(guò)程中遇到的靜電放電。一些制造商提供具有標(biāo)準(zhǔn)和增強(qiáng)保護(hù)的設(shè)備。由于標(biāo)準(zhǔn)和增強(qiáng)保護(hù)器件幾乎總是具有相同的引腳配置，因此添加具有增強(qiáng)型ESD保護(hù)的器件通常不需要對(duì)現(xiàn)有印刷電路板進(jìn)行任何修改。

某些應(yīng)用要求RS-15和CMOS數(shù)字端子具有±232kV ESD保護(hù)。例如，為了降低成本和尺寸，手機(jī)本身不包含RS-232收發(fā)器。相反，CMOS級(jí)信號(hào)通過(guò)手機(jī)底部的連接器路由。如果手機(jī)所有者想要連接到筆記本電腦的RS-232端口，他或她將購(gòu)買一根“數(shù)據(jù)塊”電纜，其中包括RS-232收發(fā)器。在這種情況下，RS-232發(fā)射器和接收器的兩側(cè)都與連接器相連，使其面臨更高的ESD風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，可能需要在發(fā)射器和接收器的RS-232和CMOS側(cè)擴(kuò)展ESD保護(hù)。MAX3237E、MAX3380E和MAX3381E是適合此任務(wù)的三種收發(fā)器。

數(shù)據(jù)速率

最新的RS-232規(guī)范要求數(shù)據(jù)速率為20kbps或更低。盡管有這種限制，大多數(shù)RS-232收發(fā)器的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該速度。事實(shí)上，今天的RS-232收發(fā)器可以達(dá)到1Mbps的速度。有關(guān)工作速率為2Mbps的收發(fā)器的示例，請(qǐng)參見(jiàn)圖1。為了達(dá)到這樣的速度，這些器件違反了另一個(gè)RS-232規(guī)范，即允許的最大發(fā)射器輸出壓擺率為30V/μs。RS-232規(guī)范要求發(fā)送器輸出不超過(guò)此壓擺率，從而減少快速邊沿產(chǎn)生的噪聲量。以高達(dá)1Mbps的速度運(yùn)行的收發(fā)器的輸出也受到壓擺率限制，但壓擺率超過(guò)RS-232規(guī)格。這些發(fā)射器的輸出比低壓擺率的發(fā)射器發(fā)出更高的噪聲。這些設(shè)備的較快轉(zhuǎn)換速率也帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題，即與較慢設(shè)備的兼容性。如果能夠每秒兆比特操作的部件高速傳輸數(shù)據(jù)，則電纜的另一端必須存在能夠以相同速度運(yùn)行的收發(fā)器。如果在電纜的另一端使用速度較慢的設(shè)備，則以較慢的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行可能會(huì)起作用，盡管不能保證。MAX3227E、MAX3245E和MAX3225E是三款能夠?qū)崿F(xiàn)1Mbps傳輸速率的收發(fā)器。

圖2.上面的示波器照片顯示了工作速率為 232Mbps 的 RS-1 接收器。

隔離式RS-232收發(fā)器

Maxim創(chuàng)造了MAX3250，這是一款+50V隔離式收發(fā)器，能夠承受傳輸線意外短路至+24或+48V電源總線的損壞。MAX3250是光隔離收發(fā)器的低成本替代品。Maxim專有的隔離方法是無(wú)電感和無(wú)變壓器，簡(jiǎn)化了EMI合規(guī)性。

包裝尺寸

Maxim開(kāi)發(fā)了世界上最小的RS-232接收器和發(fā)送器，采用微型SOT23-5封裝。這些器件針對(duì)低功耗節(jié)省空間的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，關(guān)斷電流低至 0.2uA。MAX3189E和MAX3190E是RS-232 SOT23-5發(fā)送器的優(yōu)秀示例，具有低關(guān)斷電流，與MAX3180E系列接收器相得益彰。

審核編輯：郭婷