在考慮集成電路時，當今的設計工程師尋求低功耗特性和性能。每個芯片節省幾毫安的靜態電流可能看起來微不足道，但對于具有數十個IC的電路板來說，這變得非常重要。這種節省允許使用更小的電源和更少的從墻上插座消耗的電力。對于小型便攜式電池供電設備，省電允許電池運行更長時間。

在考慮集成電路時，當今的設計工程師尋求低功耗特性和性能。每個芯片節省幾毫安的靜態電流可能看起來微不足道，但對于具有數十個IC的電路板來說，這變得非常重要。這種節省允許使用更小的電源和更少的從墻上插座消耗的電力。對于小型便攜式電池供電設備，省電允許電池運行更長時間。

借助低功耗CMOS工藝和智能電源管理，當今便攜式設備的工作時間變得非常長。在過去幾年中，電源電壓也急劇下降?，F在，許多設計都采用3.3V主電源或直接由單節Li+電池供電！半導體制造商在用這些低電壓滿足無處不在的RS-232標準的所有要求方面非常有創意。但是，現在有必要做出妥協以節省更多電流。本文介紹如何通過尋求“兼容性而不是合規性”以盡可能低的功耗運行接口。RS-232接口的簡短歷史記錄顯示為側邊欄。

終極挑戰：電源電壓低于+3.0V

小型手持設備的電源電壓已降至+3.0V以下，這是由于最近的亞微米CMOS工藝的能力以及在工作期間節省更多功率的愿望。處理器內核的典型電源電壓低至0.8V，I/O電壓接近2.5V，這可能還不是底部。PDA、手機和掌上電腦的制造商迫切需要工作在3.0V以下的低功耗串行接口設備。這些應用中的典型是手持PC和筆記本電腦/臺式機之間的連接，以及手機和筆記本電腦/臺式機之間的數據電纜。但是，如此低的電壓如何在變送器輸出端產生符合RS-232標準的電壓呢？

一種簡單的解決方案包括一個基于電感的升壓轉換器，用于產生正電源軌，然后是一個電荷泵逆變器用于產生負電源軌。例如，MAX3218升壓轉換器在低至+232.1V的電源電壓下提供符合RS-8標準的輸出電平。但是，該拓撲有幾個缺點。

首先，較低的電源電壓需要較高的電源電流來運行串行接口。例如，具有標準 120kΩ/3pF 并聯負載的 2500kbps 串行鏈路采用 +50.2V 電源吸收 5mA 電流（圖 1）。對于串行接口，由此產生的功耗（125mW）相當高，并且相關電感具有非常高的峰值電流。采用MAX3218工作時，電感要求直流額定電流為350mA。最后，由于額外的噪聲原因，許多工程師不希望在設計中使用另一個開關電源，尤其是在手機中，因為手機在傳輸過程中已經需要電池的突發電流。

圖1.MAX3218采用升壓轉換器和電荷泵反相器，電源電流隨電源電壓降低而上升。

為什么不采用三電荷泵方法？

三路電荷泵為 RS-232 電源提供了另一種簡單的方法（圖 2）。第一個泵將輸入電壓從+2.5V加倍至（理論上）+5V。但是，電荷泵中的歐姆損耗和發送器中的壓差使該電壓無法達到符合±5V RS-232標準的輸出電平。因此，另外兩個電荷泵用于產生所需的+5V和–5V發送器輸出電壓。

圖2.由于效率低下，使用三個電荷泵產生符合RS-232標準的發送器輸出電壓不適合低功耗RS-232器件。

雖然適用于較高的電源電壓，但這種拓撲不適合在低電壓下工作的低功耗RS-232器件。第一個缺點是效率低。輸入電流為42mA，假設5kbps數據速率所需的發送器電流為120mA，并聯標準負載為3kΩ/2500pF，每個部分的典型電荷泵效率為80%。雖然只是一階估計，但輸入電流表明所需的功率電平（105mW）并沒有比MAX3218有太大的改善。

三電荷泵IC省去了開關DC-DC轉換器，但其芯片尺寸很大，因為功率MOSFET（用于第三電荷泵部分的充電和放電電容器）需要大量的芯片面積。更大的套餐和更高的價格將是后果。此外，與雙電荷泵方法相比，該器件需要多兩個外部電容。出于這些原因，Maxim在實現低電壓、低功耗、串行接口器件方面采取了另一條道路。

表 1.EIA/TIA-562 串行接口標準的電氣規格（與側欄中的表 1sb 比較）

Maxim提供各種串行接口IC，工作電源電壓低至2.25V。這些設備面向掌上電腦、手持式儀器、PDA 和手機。所有器件均兼容RS-232接口標準，并符合EIA/TIA-562（發射器輸出幅度低于5V但高于3.7V）。所有產品均采用雙電荷泵運行。這種拓撲不需要DC-DC轉換器或三電荷泵，因此工作電流要低得多。這些器件的其他特性包括高ESD保護和小型封裝。

當采用MAX3316E收發器設計時，上述120kbpsec串行接口電路僅從15.2V電源吸收5mA電流。功耗（37.5mW）僅為MAX30收發器的3218%，即使負載（2500pF）是相當長的電纜！大多數便攜式設備沒有連接到具有 15 米電纜的 PC，因此更合理的電纜長度假設是 500 米或更短。此類電纜的容性負載最大值為 8pF，這進一步將電源電流降低至 3mA（圖 20），功耗僅為 4mW。規則很簡單：短串行數據電纜從電源電壓中消耗的電流更少。使用短電纜時，變送器輸出電壓（遠高于+4V和低于–562V）符合EIA/TIA-232規范，并且兼容RS-<>。

圖3.MAX3316E采用2.5V電源吸收低電源電流（左）。其發射器輸出電壓（右）與RS-232規范兼容，并符合EIA/TIA-562規范。

將所有電子設備放入便攜式設備，并擺脫活動電纜！

個人數字助理（PDA）和高端手機經常與筆記本電腦或臺式計算機交換文件。這些設備中的串行數據鏈路經常使用，因此在便攜式設備中包含RS-232收發器是有意義的。因此，具有RS-232兼容或兼容電壓電平的信號可以直接在超小型連接器上獲得。電纜連接器內不再需要有源電路，因此電路可以是純無源的。

RS-232收發器邏輯側的ESD保護是另一個優勢。一種稱為芯片級封裝（CSP）的新封裝技術可實現盡可能小的IC尺寸，并允許以非常小的電路板面積集成到便攜式設備中。這種封裝的尺寸并不比芯片本身的尺寸大多少。它通過以矩陣圖案排列的球形網格粘合到板上。MAX3228E采用新型封裝，具有5x6球柵矩陣和2.5x3mm尺寸。因此，它僅占地7.5mm2。圖4所示為MAX3228E框圖、引腳分配圖，以及IC如何融入便攜式設備的尺寸圖。只需四個小型100nF電容即可運行內部雙級電荷泵。

圖4.MAX3228包括兩個發送器和兩個接收器。采用 5x6 網格芯片級封裝 （CSP），其小尺寸便于在便攜式設備中使用。

除了帶有兩個發送器和兩個接收器的MAX3228E外，MAX3229E（采用相同的UCSP封裝）還包括一個發送器和一個接收器。兩者都包括自動關機?。與數據電纜示例中的MAX3388E一樣，MAX3228E包括一個VL引腳可在低至 1.65V 的電壓下工作，適用于低壓邏輯系統。

盡可能長時間地保持合規

MAX3228E和MAX3229E（可在CSP中使用）可在寬范圍的電源電壓（+2.5V至+5.5V）下供電。為了保持符合RS-232規范（假設VCC足夠高），當VCC降至約+3.1V以下時，每個設備的輸出電壓波動從“兼容”變為“兼容”。詳細信息如表2所示。降低的輸出電平還通過降低電源電流來延長電池壽命。

對于VCC輸入，當VCC有噪聲或電源電流發生階躍變化時，約400mV的內置遲滯可防止輸出電平變化。當VCC上升到大約+3.5V以上時，輸出返回到符合RS-232的電平。此功能允許MAX3228E由單個Li+電池供電。因此，MAX3228E在電池充滿電時提供完全兼容的輸出電壓波動。當電池放電時，在某個時刻，設備會自動切換到與RS-232兼容的輸出，然后確保串行端口的操作，直到電池完全放電。

表 2.當雙電荷泵的雙電荷泵不再提供符合RS-232標準的輸出電壓時，Maxim收發器會自動切換到RS-232兼容模式。

兼容，不合規

節省電力的簡單公式是兼容但不一定符合RS-232規范。要通過短電纜進行通信，不必嚴格遵循5V輸出電壓幅度，因為接收器輸入門限規定為+3V和–3V。在短的RS-2電纜中不太可能出現232V壓降！這種情況似乎違反了表232中的RS-1規范，但請考慮九十年代初創建的電氣規范，該規范與RS-232規范完全兼容。

它被稱為EIA/TIA-562，旨在支持較低電源電壓下的串行數據通信，特別是在辦公室、家庭和酒店等安靜環境中通過短電纜進行通信。它的目標是電池供電的便攜式設備和計算機之間的通信。您可以將表562的EIA/TIA-1規范中的主要參數與側邊欄中表232sb的RS-1規范中的主要參數進行比較。這兩個規范都沒有定義最大電纜長度，但EIA/TIA的最大容性負載（1000pF）意味著電纜比RS-232的2500pF更短。

EIA/TIA 最大指定數據速率更高 （60kbps），但 120kbps 及以上已在許多應用中使用。最小發射器輸出幅度 （3.7V） 比 RS-1 規范低 3.232V，并且與安靜環境和電纜中的低壓降兼容。盡管如此，相對于+3V和–7V的額定接收器門限，700.3V仍留出3mV裕量。因此，RS-232接收器在理解來自EIA/TIA-562發射器的信號方面沒有問題。

最大輸出幅度額定值為13.2V，但（如前所述）目標是通過在盡可能低的電壓下操作串行接口來節省功耗。實際上，實際接收器門限低于+3V，高于–3V。雖然沒有具體說明，但這一事實提供了另一個安全裕度。舊的四通道接收器MC1489具有1.3V和1.0V的典型高低接收器輸入門限。MAX3225E的門限額定值為1.5V和1.2V，其他接口器件也是如此。因此，假設大多數正閾值低于2.0V，負閾值高于0V，則允許電纜上出現額外的壓降。

典型數據電纜應用

在簡單的數據電纜電路（圖5）中，接口驅動器通常放置在插入便攜式設備的超小型連接器的外殼內。（對于需要較少接收器或發送器的應用，可以使用其他幾種收發器來代替MAX3388E。

圖5.MAX3388E的可編程邏輯電壓和第三個發送器簡化了數據電纜設計，第三個發送器用于產生環形靛藍（RI）信號。

之所以選擇MAX3388E作為此示例，是因為它提供了有助于解決邏輯電平等數據電纜問題的優勢。RS-232接口設備的接收器輸出通常在0V和VCC之間擺動，如果便攜式設備中的邏輯I/O在低于VCC的電壓下操作，這可能會過大。因此，MAX3388E提供了一個單獨的邏輯電源輸入（VL），用于設置接收器輸出的邏輯高電平和發射器輸入的閾值電壓。

VL引腳的工作電壓可降至1.8V，并允許靈活地與大多數便攜式設備接口。LDO（低壓差線性穩壓器）也簡化了接口，其輸出電壓可以設置為所需的邏輯電壓擺動?；蛘?，您可以通過齊納二極管或二極管壓降（幾個串聯的1N4148）來穩定VL電壓，從而節省資金。如果超小型連接器上的VCC是恒定的（因為內部LDO已經在穩定輸出電壓），那么用電阻分壓器調節VL電壓就足夠了。然而，因為VL提供接收器輸出，所以該解決方案取決于接收器輸出處的負載容量和流入移動設備的電流?？赡苄枰碗娮杵钜员苊釼L引腳上的較大電壓變化。

更多功能助您一臂之力。 . .

MAX3388E中的第三個發送器可以產生環形指示器信號（RI），向PC或筆記本電腦中的UART發出警報。它可以生成中斷，其關聯的軟件例程可以為便攜式設備和計算機之間的全雙工通信提供服務。MAX3388E包含一個電源開關，用于為外部電路供電，如底座應用中的熱同步電路。它還在RS-232側和CMOS邏輯側之間配備了一個邏輯電平接收器。該邏輯電平接收器配備漏極開路輸出，也適用于“熱同步”和其他專用通信。

RS-232側的所有發射器和接收器都具有ESD保護功能，保護電壓為±15kV。（數據電纜的邏輯側可能需要額外的ESD保護，如圖6所示。）對于MAX3238E和MAX3248E RS-232收發器，邏輯側和RS-232側都有ESD保護。這些設備在VCC=+3.0V以下保持RS-232兼容，在VCC=+2.7V以下保持RS-232兼容。

小尺寸、低功耗、RS-232兼容器件，采用+5V電壓供電

數碼相機、銷售點系統和機頂盒通常包括一個RS-232串行接口，采用+5V單電源供電。這些應用與短數據電纜相處，因此EIA / TIA-562標準完全足夠。其他收發器圍繞MAX3311E設計，適用于這類應用。僅+5V器件采用單電荷泵工作，減少了外部電容的數量，其μMAX封裝占用的電路板空間非常小。這些器件還提供與RS-232兼容的發射器輸出擺幅。MAX3311E可能是目前功耗最低的串行接口：數據速率為120kbps，短電纜電容小于500pF，要求工作電源電流不高于2.5mA！

RS-232收發器：現代IC的歷史發展

早期版本的RS-232接口消耗大量功率！20多年前，串行接口通常使用當時可用的標準器件構建：四發射器MC1488和四接收器MC1489。過去和今天，這些設備可以從國家半導體，德州儀器，安森美半導體和其他公司獲得。因為它們是用雙極硅工藝制造的，所以它們的靜態電流非常高。

在那些日子里，一對MC1488/MC1489的功耗超過700mW！在傳輸數據時，這對額外的驅動器電流和電纜充電損耗使功耗高達1W。多年來，發射器設備的一大缺點是要求電源電壓在±12V（大約）左右對稱。接收器采用+5V單電源供電，因此RS-232端口需要三個電源電壓。臺式計算機的情況更糟，其兩個COM接口通常使用標準SN75185驅動程序實現，其中包括三個發射器和五個接收器。功耗為1.2W，即使未使用接口也是如此。

RS-232規范

如果設計人員的系統已經包括工作在±15V的模擬電路（如運算放大器），那么設計人員很幸運，RS-232電源電壓可以從中得出。另一方面，必要的串行接口電源電壓必須由僅工作在+5V的數字系統產生。畢竟，RS-232規范要求發射器輸出端的電壓幅度至少為5V（表1sb）。

請注意，RS-232標準的輸出是反相的：在TTL側發送邏輯高電平信號在RS-232側產生等于或小于–5V的負電壓，發送邏輯低電平信號產生等于或大于+5V的正電壓。接收器閾值額定為±3V，這為通過長電纜傳輸數據提供了裕量，并提高了抗失真的能力。

表 1sb. RS-232 串行接口標準中的選定電氣規格。

許多人仍然認為RS-232發射器必須提供±12V。這些級別多年來一直是非官方標準，因為它們通常已經可用于模擬電路或計算機中的硬盤驅動器?！?2V電源軌很方便，但并非絕對必要，如表1sb所示。

提供剛好足夠的輸出電壓就足夠了。如果輸出達到所需的最小幅度232V，則RS-5接口完全符合其規格，因此±6V電源對于輸出級壓降很小的發送器來說可能足夠了。另一方面，±12V電源軌可以為工業環境中通過長電纜傳輸數據提供額外的抗噪性。

然而，當今大多數RS-232通信需要小于三米的電纜，例如，將手機或PDA底座連接到筆記本電腦，或將小型PBX連接到臺式PC。這些應用駐留在辦公室或家中，因此抗噪性不是一個大問題。請注意，RS-232標準規定了最大負載電容（2500pF），而不是最大電纜長度。因此，即使對于電容為100pF/m的廉價接口電纜，長達25米的電纜也應該沒有問題。

第一個挑戰：擺脫大電源！

當Maxim在232年代中期發布MAX1980收發器時，沒有人知道它會變得多么成功。如今，它由10多家制造商提供，每年的銷量為數百萬。其主要特性是+5V單電源供電能力，因此不再需要對稱的雙極性電源電壓。然而，其輸出提供的信號符合RS-232規范。

這種IC設計背后的簡單想法是集成電荷泵。圖1sb顯示了內部電荷泵，它在第一級中使輸入電壓加倍，然后在第二級中將其反相。這樣，它從+5V輸入獲得+10V的雙倍電壓（理論上），然后獲得–10V的反相電壓（理論上也是如此）。實際上，歐姆損耗和開關損耗將MAX232的典型輸出擺幅減小至約±8V。如今，MAX232電路是Maxim提供的100多種RS-232器件的基礎電路。

圖 1sb.MAX232型RS-232收發器中的發送器輸出級從內部電荷泵產生的V+和V-電壓得出正電平和負電平。

下一個挑戰：+3.3V單電源

隨著邏輯電源電壓降至3.3V，雙級電荷泵的便捷解決方案突然變得過時。MAX232不能工作在+3.3V電壓，不定時在+6.6V電壓。從理論上講，用電荷泵將低電壓加倍并反相將產生±1.3V的對稱電源軌，但內部電荷泵晶體管和發射器輸出級的損耗太高，無法提供符合表3sb所列規格的輸出幅度。另請注意，具有高容差（±10%）的+3.0V電源僅提供+<>.<>V的最小電源軌。

Maxim相應地設計了下一代器件，這些器件也可從其他制造商處獲得。幾乎所有此類IC都具有符合IEC15-1000-4標準的低電源電流和±2kV ESD保護。新器件具有高性能電荷泵，開關晶體管損耗非常低，其發射器輸出級具有低壓差。因此，該系列的成員可在低至+3.0V的電源電壓下工作。例如，MAX3225E包含兩個發送器和兩個接收器，在功能上與舊的MAX232相似。但是，該系列的IC具有新功能，使設計人員的工作更加輕松。

電源電壓范圍為+3.0V至+5.5V，允許該器件用于+3.3V或+5V系統。對于大多數應用，大型制造商只需要認證一個標準RS-232部件。

穩壓電荷泵可節省發送器電流。節省功耗的一個小而有效的技巧是限制發射器輸出電壓。遺憾的是，設計人員對端接驅動器輸出的電阻沒有影響，該電阻的額定值為3kΩ至7kΩ。數據手冊通常規定發送器的最大負載為3kΩ。終端電阻的功耗為P綜合安全分遣隊= V2/R術語.因此，限制輸出電壓是有意義的，在這個等式中，輸出電壓的冪為2！

Maxim的低壓RS-232器件具有輸出電壓控制功能。請注意，較高的電源電壓允許電荷泵中的開關活動更少。內部電荷泵通過脈沖控制產生±6V，與電源電壓無關。低壓差發射器輸出級提供±5.5V的電壓，但符合RS-232規范。這些級提供了令人印象深刻的輸出電壓隨負載電容不變性，即使在數據速率高于 1Mbit/s 時也是如此（圖 2sb）。MAX232的8V輸出幅度在終端電阻中耗散21.3mW，輸出電壓控制將功耗降至10mW，節省50%以上的功耗！

圖 2sb. MAX3225E發送器輸出即使在232Mbit/s數據速率和1pF負載電容下仍符合RS-2000規范。

關掉它！

省電關機模式自動關機和自動關機?增強?型無需軟件幫助即可運行。例如，自動關斷是電壓觸發的。當超過30μs后RS-232輸入端沒有有效電壓電平時，該器件關斷，這通常發生在電纜未連接或另一側的發送器關閉時。一旦其中一個接收器出現有效電壓，該器件就會喚醒并立即準備好工作。

這種關斷模式有兩個注意事項：首先，只要其中一個RS-232接收器輸入端存在有效電壓，該器件就不會關斷。當另一側的發射電壓未正確關閉時，這可能是一個問題，結果可能是連續的有效信號，阻止器件進入節流模式。其次，在發送數據之前需要喚醒該部分。

AutoShutdownPlus修復了AutoShutdown的缺點。它監控RS-232側的接收器輸入和TTL側的發射器輸入。其邊緣觸發操作對連續信號沒有問題。當超過 30 秒且無接收或發送活動時，該器件將進入關斷模式。然后，RS-232輸入端或發射器TTL側輸入端的邊沿導致器件喚醒。

審核編輯：郭婷