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解析總線電流要求與收發器驅動能力

電子設計 ? 來源:網友電子設計發布 ? 作者:網友電子設計發布 ? 2021-11-21 16:44 ? 次閱讀

作者:Thomas Kugelstadt,德州儀器

越來越多的人在問關于 EIA/TIA-485(俗稱 RS-485 數據傳輸標準)基本概念的一些問題,這一事實表明未來數年 RS-485 仍會在各種工業接口中起到舉足輕重的作用。

本文中,我們將為您解答許多常見和最新的問題,例如:

1)RS-485 收發器可以驅動多大的總線電流

2)可以驅動 32 以上單位負載嗎?

要回答第一個問題,我們需要研究圖 1 所示典型 RS-485 數據鏈路。我們看到,除驅動通過端接電阻器的差分電流以外,驅動器還必須驅動通過許多接收機輸入阻抗的電流,以及通過位于總線上的故障保護網絡的電流。這些阻抗在差分信號線路和接地之間形成電流通路,同時影響了 A 和 B 信號線的電流,且影響程度相同。因此,可以將它們表示為共模阻抗 RCM。

poYBAGGKc0qANRt2AAAV6pF03Ug759.png

圖 1 典型 RS-485 數據鏈路

為了對最大共模負載進行定義,RS-485 使用了一個單位負載的理論概念,其定義了一個 12kΩ 共模負載電阻。這樣一來,一個單位負載 (1UL) 收發器便代表在每個接地相關總線端有一個RINEQ = 12 kΩ 的等效輸入電阻。

RS-485 規定一個收發器必須能夠驅動高達 32 單位負載的總共模負載,同時能夠給 RD = 60Ω 差分電阻提供 VOD = 1.5 V 的差分輸出電壓。另外,該標準還要求在 VCM = –7 V 到 +12 V 共模電壓范圍保持這種驅動能力,以便允許驅動器和接收機接地之間的大接地電位差,其一般會出現在遠距離數據鏈路中。

60 Ω 差分電阻代表兩個并聯 120 Ω 端接電阻器的電阻值,而 32 單位負載得到的總共模負載電阻為 RCM = 12 kΩ / 32 = 375 Ω。共模負載條件下收發器驅動能力測試的相應測試電路也指定為 RS-485 標準,其如圖 2 所示。

pYYBAGGKc02ATO-dAAAXPzaQaRg665.png

圖 2 共模負載的驅動器測試電路

假設非反相驅動器輸出 A 具有更高的正總線電壓,則其電流計算方法為:

pYYBAGGKc1CAY4SQAAAGzY1cNbI194.png

,其中poYBAGGKc1SASc6PAAAFWY8HKZI230.png ,而 ,

poYBAGGKc1aAIa6wAABFO1QNL6k783.png

而反相輸出 B 的電流計算方法如下:

poYBAGGKc1mADEIVAAAHTcoEEOc832.png

,其中pYYBAGGKc1yAAS2kAAAGEt9YBls531.png ,而 .

pYYBAGGKc16AfPOWAABIWY5rz7M078.png

由于數據傳輸期間 A 和 B 輸出不斷改變極性,因此最好是使用一些通用術語來表示輸出電流方程式。所以,更多正輸出(或者高輸出)必須拉出電流:

poYBAGGKc2GAVHzrAAAOwtO2FeA259.png

而更少正輸出(或者低輸出)必須注入電流:

.

pYYBAGGKc2SATSvsAAAOIesQLw0396.png

圖 3 顯示了在規定共模電壓范圍,驅動 RCM = 375 Ω 最大共模負載 (32 UL) 的一個 5V 收發器的最小輸出電流要求。用于繪制該圖的參數假設為 VOS = 2.5 V、VOD = 1.5 V、RD = 60 Ω 和 RCM = 375 Ω。

poYBAGGKc2aAN5pDAABEXrzRNgw213.png

圖 3 5V 收發器的總線電流要求

該圖表明,一個符合標準的 5V 收發器必須能夠拉出和注入高達 53 mA 的輸出電流。實際上,市場上銷售的大多數 RS-485 收發器,都具有 60 mA 及以上的最小注入和拉出能力。

就此而言,需要對 32 單位負載的最大共模負載進行一些重要的澄清,以消除許多普遍存在的誤解。

RS-485 中規定的 32 單位負載的最大共模負載,指的是存在于差分信號對和信號地線之間的任何共模負載,不僅僅只是接收機輸入。例如,一個外部故障保護電阻器網絡已經使用了 22 UL 的總負載,從而使得僅有 10 UL 可用于接收機輸入。剩余的 10 UL,可以通過使用 10 x 1 UL 收發器或者至多 80 x 1/8 UL 收發器,來讓其得到利用。

32 UL 最大負載的規定,針對 –7 V 到 +12V 的整個 VCM 范圍。如圖 3 所示,讓 VCM 范圍變窄會降低輸出電流,并讓驅動器儲存一些電流。之后,可以利用這些儲存電流來驅動更多的單位負載。驅動器和接收機接地之間地電位差 (GPD) 較小的數據鏈路中,可以應用這一原則,其解答了我們在一開始提出的第二個問題。

圖 4 顯示了單位負載數,其為 GPD 振幅的函數。請注意,GPD 并非為 DC 電壓,而是 AC 電壓,其在系統電源電源頻率的第三諧波變換。

pYYBAGGKc2mAMJOHAAAu7zHYL3Y602.png

圖 4 單位負載數為 GPD 振幅的函數

小結

本文介紹了 RS-495 標準收發器的最小總線電流要求約為 60 mA,并表明在更低共模電壓下工作時可以增加 32 UL 規定共模負載。

參考文獻

《RS-422 和 RS485 標準概述與系統配置》,2010 年 5 月修訂,2002 年 6 月刊 TI《應用手冊 SLLA070D》。

如欲了解 TI RS-485 和其他接口解決方案的更多詳情,請訪問:www.ti.com/interface-ca。

編輯:jq

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