TI : RS-485 收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題解答

    您是否希望學(xué)習(xí) RS-485 收發(fā)器的設(shè)計(jì)教程？本文基于 TI E2E? 社區(qū)中的常見(jiàn)問(wèn)題提供了一些解答，對(duì)于任何希望詳細(xì)了解此通信標(biāo)準(zhǔn)的人來(lái)說(shuō)都是非常有用的資源。
    有關(guān)隔離式 RS-485 收發(fā)器的具體信息，請(qǐng)參閱技術(shù)文章“有疑問(wèn)？TI幫你匯總隔離型RS-485收發(fā)器的七大設(shè)計(jì)問(wèn)題”。
    1.何時(shí)需要 RS-485 總線端接，如何正確進(jìn)行端接？
    RS-485 總線端接在許多應(yīng)用中都很有用，它有助于提高信號(hào)完整性并減少通信問(wèn)題?！岸私印笔侵笇㈦娎|的特性阻抗與端接網(wǎng)絡(luò)相匹配，使總線末端的接收器能夠接收信號(hào)功率。未端接或未正確端接的總線將出現(xiàn)失配的情況，從而在網(wǎng)絡(luò)末端產(chǎn)生反射，導(dǎo)致整體信號(hào)完整性降低。
    在網(wǎng)絡(luò)的雙向環(huán)路時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)位時(shí)間時(shí)，不需要端接，因?yàn)槊看畏瓷涞竭_(dá)網(wǎng)絡(luò)末端時(shí)，它們都會(huì)損失能量。但是對(duì)于信號(hào)位時(shí)間并不明顯長(zhǎng)于電纜環(huán)路時(shí)間的應(yīng)用，為了盡量減少反射，端接至關(guān)重要。

    基本的端接稱(chēng)為并聯(lián)端接，由單個(gè)電阻組成，如圖 1 所示。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)要求標(biāo)稱(chēng)特性阻抗為 120Ω，因此端接電阻的默認(rèn)阻值應(yīng)為 RT = 120Ω。您可參閱文章“RS-485 基礎(chǔ)知識(shí)：何時(shí)需要端接，以及如何正確端接”。

    圖 1：具有并聯(lián)端接的 RS-485 總線
    THVD1424 收發(fā)器是一款靈活的 RS-485 收發(fā)器，在驅(qū)動(dòng)器和接收器總線引腳之間集成了 120Ω 端接電阻。端接電阻可以通過(guò)專(zhuān)用引腳 TERM_TX 和 TERM_RX 打開(kāi)或關(guān)閉，從而支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員靈活地將該收發(fā)器用于半雙工或全雙工網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)位置（中間節(jié)點(diǎn)或末端節(jié)點(diǎn)）。
    更多有關(guān)此主題和器件特性的信息，請(qǐng)參閱技術(shù)白皮書(shū)“使用靈活的 RS-485 收發(fā)器減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間和成本”。
    2.什么是失效防護(hù)偏置，如何實(shí)現(xiàn)？
    失效防護(hù)偏置機(jī)制可確保 RS-485 接收器不會(huì)因差分輸入電壓而處于不確定狀態(tài)。電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA)-485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)差分電壓 ≥+200mV 時(shí)，RS-485 的輸入閾值為邏輯高電平；當(dāng)差分電壓 ≤-200mV 時(shí)，RS-485 的輸入閾值為邏輯低電平，從而在高低閾值之間留下 400mV 的不確定狀態(tài)。
    可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)失效防護(hù)偏置：
    ·選擇具有接收器內(nèi)置失效防護(hù)輸入閾值的收發(fā)器。
    ·添加外部電阻，從而在總線空閑時(shí)產(chǎn)生外部偏置。
    兩種方法都可以確?？偩€處于邏輯高電平狀態(tài)。請(qǐng)參閱技術(shù)文章“RS-485 基礎(chǔ)知識(shí)：失效防護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)的兩種方法”。
    3.如何計(jì)算 RS-485 總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)？
    RS-485 是一種多點(diǎn)差分總線，因此總線上的所有節(jié)點(diǎn)共用一個(gè)傳輸介質(zhì)。隨著節(jié)點(diǎn)總數(shù)的增加，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器上的負(fù)載也會(huì)增加。
    電信行業(yè)協(xié)會(huì) (TIA)/EIA-485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)假設(shè)的單位負(fù)載 (UL)，用于幫助計(jì)算 RS-485 總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器必須能夠在多 32 個(gè)單位負(fù)載上驅(qū)動(dòng)至少 1.5V 的差分信號(hào)，并在總線兩端并聯(lián)兩個(gè) 120Ω 端接電阻。
    公式 1 表示壞情況下的輸入電壓與漏電流之比，用于計(jì)算輸入電阻。確定節(jié)點(diǎn)的輸入電阻后，您可以使用公式 2 計(jì)算 RS-485 總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)：
    Input Resistance = Max (VIN/Ileakage)                        (1)
    No. of Nodes = 32/Input Resistance                        (2)
    4.何時(shí)需要在節(jié)點(diǎn)之間添加地線？

    設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路時(shí)，您必須假定存在一些接地電勢(shì)差。這些電壓使發(fā)送器輸出中具有共模噪聲 Vn。即使總疊加信號(hào)在接收器的輸入共模范圍內(nèi)，依靠局部接地作為可靠的返回電流路徑也是不安全的。當(dāng)接地電勢(shì)差 (GPD) 超過(guò)接收器的共模范圍時(shí)（在較長(zhǎng)電纜和大電流負(fù)載下經(jīng)常發(fā)生），將需要使用適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)。

    圖 2：遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)配置：?jiǎn)为?dú)接地 (a)；直接連接遠(yuǎn)程接地 (b)；器件地和局部系統(tǒng)地分開(kāi) (c)
    圖 2a 展示了可能從電氣裝置的不同部分汲取功率的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)。對(duì)裝置的任何變動(dòng)（例如在維護(hù)工作期間）均可將 GPD 增大到超出接收器輸入共模范圍的程度。因此，現(xiàn)在可正常工作的數(shù)據(jù)鏈路可能會(huì)在將來(lái)停止運(yùn)行。
    也不建議通過(guò)地線直接進(jìn)行遠(yuǎn)程接地（圖 2b），因?yàn)橹苯舆B接會(huì)導(dǎo)致大接地環(huán)路電流以共模噪聲的形式耦合到數(shù)據(jù)線路。
    為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接地的直接連接，RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議通過(guò)插入電阻器將器件地與局部系統(tǒng)地分開(kāi)（圖 2c）。盡管這種方法可減少環(huán)路電流，但是大接地環(huán)路的存在會(huì)使數(shù)據(jù)鏈路對(duì)環(huán)路某個(gè)位置產(chǎn)生的噪聲敏感。因此，還不能確保數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定性。
    要在穩(wěn)定的 RS-485 數(shù)據(jù)鏈路上遠(yuǎn)距離承受高達(dá)幾千伏 GPD，理想方法是將總線收發(fā)器的信號(hào)和電源線與其本地信號(hào)和電源進(jìn)行電隔離。在這種情況下，電源隔離器（例如隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器）和信號(hào)隔離器（例如數(shù)字電容隔離器）可防止電流在遠(yuǎn)程系統(tǒng)地之間流動(dòng)，并避免產(chǎn)生電流環(huán)路。
    5.RS-485 的長(zhǎng)度和速度建議值是什么？

    在給定數(shù)據(jù)速率下，總線長(zhǎng)度受到傳輸線損耗和信號(hào)抖動(dòng)的限制。由于波特周期內(nèi)具有 10% 或以上的抖動(dòng)，數(shù)據(jù)可靠性會(huì)急劇下降。圖 3 顯示了傳統(tǒng) RS-485 電纜在 10% 信號(hào)抖動(dòng)下的電纜長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)速率的特性曲線。

    圖 3：電纜長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)速率建議
    在圖 3 中，標(biāo)記為編號(hào) 1 的圓圈代表在短電纜長(zhǎng)度下的高數(shù)據(jù)速率區(qū)域。在這里，傳輸線路的損耗可以忽略不計(jì)；數(shù)據(jù)速率主要由驅(qū)動(dòng)器的上升時(shí)間決定。盡管該標(biāo)準(zhǔn)的建議值為 10Mbps，但當(dāng)今的快速接口電路可以高達(dá) 50Mbps 的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。
    圖 3 中的紅色編號(hào) 2 區(qū)域是從短數(shù)據(jù)線路到長(zhǎng)數(shù)據(jù)線路的過(guò)渡。較長(zhǎng)傳輸線路的損耗必須考慮在內(nèi)。因此，隨著電纜長(zhǎng)度的增加，數(shù)據(jù)速率必須降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，線路長(zhǎng)度 [m] 與數(shù)據(jù)速率 [bps] 的乘積應(yīng)該是 108。
    紅色編號(hào) 3 代表較低頻范圍，在此范圍內(nèi)，電纜串聯(lián)電阻和線路末端端接之間的相互作用導(dǎo)致信號(hào)衰減。在某個(gè)時(shí)刻，信號(hào)幅度小于接收器可以正確檢測(cè)到的幅度（即，不超過(guò) VIT 閾值）。
    THVD1424 收發(fā)器具有 SLR（壓擺率控制）引腳，支持由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員用于低速（ 500kbps）和快速（ 20Mbps）應(yīng)用。
    6.如何估算 RS-485 的功率損耗？
    要計(jì)算功率損耗，您可以將功率分成幾個(gè)部分。當(dāng)器件在沒(méi)有外部負(fù)載的情況下上電時(shí)，則該集成電路本身消耗功率；如果您在其輸出引腳上添加負(fù)載，該器件會(huì)提供驅(qū)動(dòng)負(fù)載的功率。由于 RS-485 具有差分信號(hào)，負(fù)載通常加在 A 和 B 引腳之間。

    在圖 4 中，藍(lán)色跡線 PDic 是器件消耗的功率。對(duì)于低數(shù)據(jù)速率，功率損耗主要來(lái)自阻性負(fù)載（紅色跡線）PDdc。對(duì)于高數(shù)據(jù)速率，需要考慮容性負(fù)載的功率損耗（綠色跡線）PDac。

    圖 4：不同功率損耗部分的計(jì)算
    公式 3 計(jì)算總功率損耗，具體如下：
    PDtotal = PDic + PDdc + PDac                      (3)
    要計(jì)算總功率損耗，首先必須計(jì)算各個(gè)部分消耗的功率。公式 4 計(jì)算器件功率損耗，其中靜態(tài)電源電流 Icc 在數(shù)據(jù)表中指定：
    PDic = Vcc*Icc                                    (4)
    如果總線上放置了阻性負(fù)載，驅(qū)動(dòng)器會(huì)在阻性負(fù)載上產(chǎn)生電壓 (Vod)，如公式 5 和 6 所示，其中 C 是寄生電容，包括收發(fā)器電容、負(fù)載電容和引線電容。計(jì)算中也會(huì)用到數(shù)據(jù)頻率 f。
    PDdc = Vcc*I – I2*R = (Vcc – I*R)*I                           (5)
    PDac = 2*2C*f*Vcc*Vod                              (6)
    請(qǐng)參閱文章“如何計(jì)算高速 RS-485 收發(fā)器的功率損耗”。
    7.如何保護(hù) RS-485 接口免受靜電放電 (ESD) 的影響？
    ESD 保護(hù)可分為幾種類(lèi)型，包括人體放電模型、國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 接觸放電和 IEC 氣隙放電。如果收發(fā)器集成了 IEC ESD 保護(hù)（例如 TI 的 THVD1450 或 THVD1500），則無(wú)需外部元件來(lái)保護(hù) RS-485 接口免受收發(fā)器指定級(jí)別 ESD 影響。
    例如，無(wú)需任何外部元件，THVD1450 即可提供 18kV IEC 61000-4-2 接觸放電保護(hù)。然而，市場(chǎng)上的許多器件沒(méi)有集成這種保護(hù)功能，所以會(huì)需要外部瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管。請(qǐng)參閱文章 “如何根據(jù)額定電壓為 RS-232、RS-485 和 CAN 選擇 TVS 二極管”。
    8.如何判斷是否需要外部 TVS 二極管？
    工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須在惡劣環(huán)境中可靠運(yùn)行。由 ESD、感性負(fù)載切換或雷擊引起的電過(guò)應(yīng)力瞬態(tài)會(huì)破壞數(shù)據(jù)傳輸并損壞總線收發(fā)器，除非采取有效措施來(lái)減少瞬態(tài)影響。
    TI 器件已根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試：
    ·ESD 抗擾度測(cè)試 IEC 61000-4-2，這項(xiàng)測(cè)試會(huì)模擬操作員直接向相鄰電子元件進(jìn)行靜電放電。THVD1500 和 THVD1450 經(jīng)測(cè)試符合此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。
    ·電氣快速瞬變 (EFT) 或突發(fā)抗擾度測(cè)試 IEC 61000-4-4，這項(xiàng)測(cè)試會(huì)模擬由感性負(fù)載中斷、繼電器觸點(diǎn)跳動(dòng)等引起的日常開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。THVD1450 和 THVD1550 經(jīng)測(cè)試符合此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。
    ·浪涌抗擾度測(cè)試 IEC 61000-4-5 是涉及電流和持續(xù)時(shí)間的非常嚴(yán)格的瞬態(tài)抗擾度測(cè)試，比 ESD 和 EFT 測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)約 1,000 倍。THVD1429 和 THVD1419 經(jīng)測(cè)試符合此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。
    TI 的 THVD 系列全新 RS-485 收發(fā)器根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)集成了各種級(jí)別的保護(hù)，并且不需要額外的外部保護(hù)。保護(hù)級(jí)別在器件的數(shù)據(jù)表中指定。
    9.如何在發(fā)生較高電壓的短路時(shí)提供保護(hù)？
    在許多 RS-485 應(yīng)用中，通信線路可能會(huì)意外連接到電源線上，尤其是在 HVAC 系統(tǒng)、照明控制或其他樓宇自動(dòng)化應(yīng)用等現(xiàn)場(chǎng)安裝的系統(tǒng)中。在這些情況下，必須確保 RS-485 收發(fā)器不會(huì)發(fā)生損壞，從而避免被退回或重新安裝而增加費(fèi)用。
    雖然 TVS 二極管等鉗位器件能夠限制瞬態(tài)事件期間收發(fā)器所承受的電壓，但通常無(wú)法對(duì)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的應(yīng)力（例如直流短路）提供保護(hù)。這時(shí)，需要某種串聯(lián)限流元件。一種典型的方法是使用正溫度系數(shù) (PTC) 電阻器，這種電阻器在標(biāo)稱(chēng)條件下具有低阻值，但在有大電流通過(guò)的故障條件下（例如，流入 TVS 等鉗位器件），電阻就會(huì)變大。在 TI 參考設(shè)計(jì)“保護(hù) RS-485 收發(fā)器免受持續(xù)高電壓/電過(guò)應(yīng)力影響的參考設(shè)計(jì)”中，可以看到使用 THVD1500 收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)示例。
    但是，使用這些額外的串聯(lián)限流和并聯(lián)電壓鉗位器件可能成本很高，并且會(huì)占用寶貴的 PCB 空間。因此，大多數(shù)情況下的更優(yōu)方法是使用能夠承受這些高故障電壓而無(wú)需外部保護(hù)的收發(fā)器。THVD2450 就是一個(gè)例子，它可承受高達(dá) +/- 70V 的直流短路。