認識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，已經成為世界范圍內嘈雜工業(yè)環(huán)境中最常用的應用接口技術。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催生了現代性能已經超過最初的RS-485標準 (EIA/TIA485)的收發(fā)器設計。

全新的收發(fā)器技術規(guī)格在組件數據表中給出了這些性能方面的提升，然而，這些技術規(guī)格經常被終端用戶，即系統(tǒng)設計人員，錯誤地解讀。例如，在對絕對最大額定值 (AMR) 部分與建議運行條件 (ROC) 下分別對給出的收發(fā)器最大電壓電平進行比較時經常會出現混淆。

用戶經常會問到這樣的問題：在絕對最大額定值條件下，收發(fā)器能夠可靠地發(fā)送數據嗎?為什么ROC下的輸入電壓遠遠小于AMR中的值?共模電壓范圍是如何定義的?

由于收發(fā)器數據表很少提供這些參數的詳細解釋，本篇文章將調整這一點。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。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

驅動器

收發(fā)器的驅動器部分由一個H橋輸出級組成。數據輸入D上的一個邏輯高電平會接通晶體管Q2和Q3。這將使電流從A端子驅動到B端子。D上的邏輯低電平接通Q1和Q4，并以相反的方向驅動電流，即從B至A。

反向泄露保護二極管和晶體管導通電阻組成的內部電阻值形成一個具有外部差分負載電阻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)。

如此所獲得的互補線路電壓，VA和VB代表兩個直流電壓電平，這個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。這個電壓被稱為驅動器共模輸出，或者輸出偏移電壓，VOS。

這個共模電壓是顯而易見的，而差分輸出電壓為通過使兩個等式相等后算出的線路電壓生成量。因此，驅動器可以表示為一個具有共模分量VOS的信號源。共模分量VOS由互補差分分量重疊。

圖1

接收器

一個收發(fā)器的接收器部分在每個輸入上包含一個電阻分壓器，R1/R2，之后是一個比較器。分壓器以10:1的比率減弱輸入信號，VA和VB。這個比率決定了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，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，并且只對差分輸入信號作出反應，VID = VA - VB。因此，標準RS-485收發(fā)器輸出R，在VID >200mV時變?yōu)楦唠娖剑赩ID-200mV時變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖2顯示的是每個接收器輸入均具有RCM = R1 + R2的共模輸入電阻，以及RIN = 2 RCM的差分輸入電阻。RCM導致針對每條總線線路的共模負載，也就是說，兩條線路上的共模電壓驅動電流流經RCM，流向接收器接地。相對地，RIN使差分負載電流在總線線路之間流動。

圖2

最大接收器輸入電壓范圍

RS-485標準規(guī)定了-7V至+12V的共模輸入范圍，以及驅動器與遠程接收器之間±7V的最大接地電勢差 (GPD)。圖3顯示了用于最大可能總線電壓的數據鏈路示例。在這個情況下，此鏈路是一條未端接的點到點連接。單個接收器代表輕負載，從而使得線路電壓在整個電源軌內擺動。

圖3

一個極端情況就是當驅動器的輸出相對于驅動器接地 (GNDD) 為5V時，此時的GPD = -7V。在這個情況下，相對于接收器接地 (GNDR) 的最大正接收器輸入電壓為+12V。另外一個極端情況就是驅動器輸出電壓相對于GNDD為0V，此時的GPD = +7V。這一情況下，相對于GNDR的最大負接收器輸入為-7V。

為了確?？煽繑祿鬏敚畲蠼邮掌鬏斎腚妷悍秶?12V至-7V之間。需要注意的是，GPD是驅動器與接收器接地之間的電勢差，并且代表添加至驅動器輸出偏移的第二共模電壓。一條數據鏈路的總體共模電壓，VCM，為VCM = VOS + GPD。

對于RS-485的一個進一步要求就是驅動器必須能夠在±7V的滿GPD上驅動32個單位負載。一個單位負載代表一個共模負載，并且定義為在12V直流輸入電壓上的1mA直流輸入電流。這將產生一個12kΩ的直流輸入電阻。傳統(tǒng)收發(fā)器通常具有1UL共模負載，而現代組件的單位負載往往為1/8UL，也就是說輸入電流為傳統(tǒng)輸入電流的1/8，或者說對地的輸入電阻要高8倍。為了測試最大共模負載，一般使用圖4中的測試電路。

圖4

在這里，60Ω的差分電阻代表分別位于總線兩端的2個120Ω端接電阻器。375Ω電阻器類似于32個單位負載，可以是32 x 1UL收發(fā)器或者是258 x 1/8UL收發(fā)器。±7V的對稱GPD被范圍介于-7V至+12V的測試電壓所取代，其目的是為了測試對稱收發(fā)器輸入性能。例如，如果驅動器能夠在其輸入上提供滿電源范圍，此時輸出為5V并且VTEST = -7V，接收器相對于接收器接地的輸入電壓將為+12V。對于0V輸出電壓和VTEST = +12V的情況，接收器相對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。由于必須在這個電壓范圍內確?？煽繑祿鬏敚@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的最大驅動器輸出范圍。而實際共模電壓范圍要小很多。對于一個5V收發(fā)器，VCM+計算為VCM = 2.5V + 7V = +9.5V，而VCM- = 2.5 – 12V = -9.5V。

絕對最大額定值

在RS-485數據線路與24Vdc電力線并行的應用中，必須在收發(fā)器設計中實現安全性功能，以避免在發(fā)生諸如電力線和數據線的電纜絕緣層破損的短路故障時,比如等對器件造成損壞。

一個常見的解決方案就是在驅動器輸出級內采用高壓晶體管。這個輸出級可以對短時高壓瞬態(tài)以及長時間過壓電勢進行充分抑制。工業(yè)系統(tǒng)中的一個常見要求就是收發(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24V電源。事實上24V只是標稱值，很多電源系統(tǒng)能夠表現出高達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)器的內部靜電放電 (ESD) 保護電路。然而，這些ESD電路只設計用于極短瞬態(tài)過壓，并且不能夠保護器件免受長時間電氣過應力的影響。

最最重要的一點就是千萬不要超過絕對最大額定值中規(guī)定的電壓電平。

結論

嚴格遵守建議工作條件部分中給出的電壓電平確保了整個收發(fā)器電源和溫度額定值范圍內的可靠數據傳輸。

絕對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，器件就會損壞。在遠遠低于絕對最大額定值的情況下，就可以實現可靠數據傳輸。

參考文獻

1.具有擴展共模范圍的故障保護RS-485收發(fā)器數據表 (SLLS872H)，德州儀器 (TI)