RS-485 收發(fā)器常見問題解答

您是否希望學(xué)習(xí) RS-485 收發(fā)器的設(shè)計教程？本文基于 TI E2E? 社區(qū)中的常見問題提供了一些解答，對于任何希望詳細了解此通信標準的人來說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，請參閱技術(shù)文章“有疑問？TI幫你匯總隔離型RS-485收發(fā)器的七大設(shè)計問題”。

1.何時需要 RS-485 總線端接，如何正確進行端接？

RS-485 總線端接在許多應(yīng)用中都很有用，它有助于提高信號完整性并減少通信問題。“端接”是指將電纜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最大信號功率。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)致整體信號完整性降低。
在網(wǎng)絡(luò)的雙向環(huán)路時間遠大于信號位時間時，不需要端接，因為每次反射到達網(wǎng)絡(luò)末端時，它們都會損失能量。但是對于信號位時間并不明顯長于電纜環(huán)路時間的應(yīng)用，為了盡量減少反射，端接至關(guān)重要。

最基本的端接稱為并聯(lián)端接，由單個電阻組成，如圖 1 所示。RS-485 標準要求標稱特性阻抗為 120Ω，因此端接電阻的默認阻值應(yīng)為 RT?= 120Ω。您可參閱文章“RS-485 基礎(chǔ)知識：何時需要端接，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。端接電阻可以通過專用引腳 TERM_TX 和 TERM_RX 打開或關(guān)閉，從而支持系統(tǒng)設(shè)計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)點位置（中間節(jié)點或末端節(jié)點）。

更多有關(guān)此主題和器件特性的信息，請參閱技術(shù)白皮書“使用靈活的 RS-485 收發(fā)器減少系統(tǒng)設(shè)計時間和成本”。

2.什么是失效防護偏置，如何實現(xiàn)？

失效防護偏置機制可確保 RS-485 接收器不會因差分輸入電壓而處于不確定狀態(tài)。電子工業(yè)協(xié)會 (EIA)-485 標準規(guī)定，當差分電壓 ≥+200mV 時，RS-485 的輸入閾值為邏輯高電平；當差分電壓 ≤-200mV 時，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)。

可通過兩種方式實現(xiàn)失效防護偏置：

• 選擇具有接收器內(nèi)置失效防護輸入閾值的收發(fā)器。
• 添加外部電阻，從而在總線空閑時產(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)。請參閱技術(shù)文章“RS-485 基礎(chǔ)知識：失效防護偏置網(wǎng)絡(luò)的兩種方法”。

3.如何計算 RS-485 總線上的最大節(jié)點數(shù)？

RS-485 是一種多點差分總線，因此總線上的所有節(jié)點共用一個傳輸介質(zhì)。隨著節(jié)點總數(shù)的增加，每個驅(qū)動器上的負載也會增加。

電信行業(yè)協(xié)會 (TIA)/EIA-485 標準規(guī)定了一個假設(shè)的單位負載 (UL)，用于幫助計算 RS-485 總線上的最大節(jié)點數(shù)。該標準規(guī)定，驅(qū)動器必須能夠在最多 32 個單位負載上驅(qū)動至少 1.5V 的差分信號，并在總線兩端并聯(lián)兩個 120Ω 端接電阻。

公式 1 表示最壞情況下的輸入電壓與漏電流之比，用于計算輸入電阻。確定節(jié)點的輸入電阻后，您可以使用公式 2 計算 RS-485 總線上的最大節(jié)點數(shù)：

Input Resistance = Max (VIN/Ileakage)??????????????????????? (1)
No. of Nodes = 32/Input Resistance??????????????????????? (2)

?4.何時需要在節(jié)點之間添加地線？

設(shè)計遠程數(shù)據(jù)鏈路時，您必須假定存在一些接地電勢差。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。當接地電勢差 (GPD) 超過接收器的共模范圍時（在較長電纜和大電流負載下經(jīng)常發(fā)生），將需要使用適當?shù)慕拥丶夹g(shù)。

圖 2：遠程節(jié)點配置：單獨接地 (a)；直接連接遠程接地 (b)；器件地和局部系統(tǒng)地分開 (c)

圖 2a 展示了可能從電氣裝置的不同部分汲取功率的遠程節(jié)點。對裝置的任何變動（例如在維護工作期間）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)鏈路可能會在將來停止運行。

也不建議通過地線直接進行遠程接地（圖 2b），因為直接連接會導(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。

為了實現(xiàn)遠程接地的直接連接，RS-485 標準建議通過插入電阻器將器件地與局部系統(tǒng)地分開（圖 2c）。盡管這種方法可減少環(huán)路電流，但是大接地環(huán)路的存在會使數(shù)據(jù)鏈路對環(huán)路某個位置產(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)鏈路上遠距離承受高達幾千伏 GPD，理想方法是將總線收發(fā)器的信號和電源線與其本地信號和電源進行電隔離。在這種情況下，電源隔離器（例如隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器）和信號隔離器（例如數(shù)字電容隔離器）可防止電流在遠程系統(tǒng)地之間流動，并避免產(chǎn)生電流環(huán)路。

5.RS-485 的長度和速度建議值是什么？

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

圖 3：電纜長度與數(shù)據(jù)速率建議

在圖 3 中，標記為編號 1 的圓圈代表在短電纜長度下的高數(shù)據(jù)速率區(qū)域。在這里，傳輸線路的損耗可以忽略不計；數(shù)據(jù)速率主要由驅(qū)動器的上升時間決定。盡管該標準的建議值為 10Mbps，但當今的快速接口電路可以高達 50Mbps 的數(shù)據(jù)速率運行。

圖 3 中的紅色編號 2 區(qū)域是從短數(shù)據(jù)線路到長數(shù)據(jù)線路的過渡。較長傳輸線路的損耗必須考慮在內(nèi)。因此，隨著電纜長度的增加，數(shù)據(jù)速率必須降低。根據(jù)經(jīng)驗，線路長度 [m] 與數(shù)據(jù)速率 [bps] 的乘積應(yīng)該是 108。

紅色編號 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)致信號衰減。在某個時刻，信號幅度小于接收器可以正確檢測到的幅度（即，不超過 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)計人員用于低速（最大 500kbps）和快速（最大 20Mbps）應(yīng)用。

6.如何估算 RS-485 的功率損耗？

要計算功率損耗，您可以將功率分成幾個部分。當器件在沒有外部負載的情況下上電時，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載，該器件會提供驅(qū)動負載的功率。由于 RS-485 具有差分信號，負載通常加在 A 和 B 引腳之間。

在圖 4 中，藍色跡線 PDic 是器件消耗的功率。對于低數(shù)據(jù)速率，功率損耗主要來自阻性負載（紅色跡線）PDdc。對于高數(shù)據(jù)速率，需要考慮容性負載的功率損耗（綠色跡線）PDac。

圖 4：不同功率損耗部分的計算

公式 3 計算總功率損耗，具體如下：

PDtotal = PDic + PDdc + PDac????? ??????????????? (3)

要計算總功率損耗，首先必須計算各個部分消耗的功率。公式 4 計算器件功率損耗，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載，驅(qū)動器會在阻性負載上產(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、負載電容和引線電容。計算中也會用到數(shù)據(jù)頻率 f。

PDdc = Vcc*I – I2*R = (Vcc – I*R)*I?????????? ??????????????? (5)
PDac = 2*2C*f*Vcc*Vod????????????????????????????? (6)

請參閱文章“如何計算高速 RS-485 收發(fā)器的功率損耗”。

7.如何保護 RS-485 接口免受靜電放電 (ESD) 的影響？

ESD 保護可分為幾種類型，包括人體放電模型、國際電工委員會 (IEC) 接觸放電和 IEC 氣隙放電。如果收發(fā)器集成了 IEC ESD 保護（例如 TI 的 THVD1450 或 THVD1500），則無需外部元件來保護 RS-485 接口免受收發(fā)器指定級別 ESD 影響。

例如，無需任何外部元件，THVD1450 即可提供 18kV IEC 61000-4-2 接觸放電保護。然而，市場上的許多器件沒有集成這種保護功能，所以會需要外部瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管。請參閱文章 “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)境中可靠運行。由 ESD、感性負載切換或雷擊引起的電過應(yīng)力瞬態(tài)會破壞數(shù)據(jù)傳輸并損壞總線收發(fā)器，除非采取有效措施來減少瞬態(tài)影響。

TI 器件已根據(jù)以下標準進行了測試：

• ESD 抗擾度測試 IEC 61000-4-2，這項測試會模擬操作員直接向相鄰電子元件進行靜電放電。THVD1500 和 THVD1450 經(jīng)測試符合此項標準。
• 電氣快速瞬變 (EFT) 或突發(fā)抗擾度測試 IEC 61000-4-4，這項測試會模擬由感性負載中斷、繼電器觸點跳動等引起的日常開關(guān)瞬態(tài)。THVD1450 和 THVD1550 經(jīng)測試符合此項標準。
• 浪涌抗擾度測試 IEC 61000-4-5 是涉及電流和持續(xù)時間的非常嚴格的瞬態(tài)抗擾度測試，比 ESD 和 EFT 測試時間長約 1,000 倍。THVD1429 和 THVD1419 經(jīng)測試符合此項標準。

TI 的 THVD 系列全新 RS-485 收發(fā)器根據(jù)這些標準集成了各種級別的保護，并且不需要額外的外部保護。保護級別在器件的數(shù)據(jù)表中指定。

9.如何在發(fā)生較高電壓的短路時提供保護？

在許多 RS-485 應(yīng)用中，通信線路可能會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化應(yīng)用等現(xiàn)場安裝的系統(tǒng)中。在這些情況下，必須確保 RS-485 收發(fā)器不會發(fā)生損壞，從而避免被退回或重新安裝而增加費用。

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)器所承受的最大電壓，但通常無法對持續(xù)時間較長的應(yīng)力（例如直流短路）提供保護。這時，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，這種電阻器在標稱條件下具有低阻值，但在有大電流通過的故障條件下（例如，流入 TVS 等鉗位器件），電阻就會變大。在 TI 參考設(shè)計“保護 RS-485 收發(fā)器免受持續(xù)高電壓/電過應(yīng)力影響的參考設(shè)計”中，可以看到使用 THVD1500 收發(fā)器的實現(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需外部保護的收發(fā)器。THVD2450 就是一個例子，它可承受高達 +/- 70V 的直流短路。

如您還有其他問題，歡迎在E2E論壇評論區(qū)告訴我們，我們將予以回復(fù)以幫助您應(yīng)對 RS-485 設(shè)計挑戰(zhàn)。