信號鏈基礎(chǔ)知識 RS-485：總線電流要求與收發(fā)器驅(qū)動(dòng)能力
2011-05-30
作者：Thomas Kugelstadt
來源：德州儀器 (TI) 高級應(yīng)用工程師
越來越多的人在問關(guān)于 EIA/TIA-485（俗稱 RS-485 數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)）基本概念的一些問題，這一事實(shí)表明未來數(shù)年 RS-485 仍會(huì)在各種工業(yè)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(fā)器可以驅(qū)動(dòng)多大的總線電流？
2）可以驅(qū)動(dòng) 32 以上單位負(fù)載嗎？
要回答第一個(gè)問題，我們需要研究圖1 所示典型 RS-485 數(shù)據(jù)鏈路。我們看到，除驅(qū)動(dòng)通過端接電阻器的差分電流以外，驅(qū)動(dòng)器還必須驅(qū)動(dòng)通過許多接收機(jī)輸入阻抗的電流，以及通過位于總線上的故障保護(hù)網(wǎng)絡(luò)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(shí)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。
圖1典型RS-485 數(shù)據(jù)鏈路
為了對最大共模負(fù)載進(jìn)行定義，RS-485 使用了一個(gè)單位負(fù)載的理論概念，其定義了一個(gè) 12kΩ 共模負(fù)載電阻。這樣一來，一個(gè)單位負(fù)載 (1UL) 收發(fā)器便代表在每個(gè)接地相關(guān)總線端有一個(gè)RINEQ = 12 kΩ 的等效輸入電阻。
RS-485 規(guī)定一個(gè)收發(fā)器必須能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 32 單位負(fù)載的總共模負(fù)載，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)還要求在 VCM = –7 V 到 +12 V 共模電壓范圍保持這種驅(qū)動(dòng)能力，以便允許驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)接地之間的大接地電位差，其一般會(huì)出現(xiàn)在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)鏈路中。
60 Ω 差分電阻代表兩個(gè)并聯(lián) 120 Ω 端接電阻器的電阻值，而 32 單位負(fù)載得到的總共模負(fù)載電阻為 RCM = 12 kΩ / 32 = 375 Ω。共模負(fù)載條件下收發(fā)器驅(qū)動(dòng)能力測試的相應(yīng)測試電路也指定為 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)，其如圖2 所示。
圖2共模負(fù)載的驅(qū)動(dòng)器測試電路
假設(shè)非反相驅(qū)動(dòng)器輸出 A 具有更高的正總線電壓，則其電流計(jì)算方法為：
,
而反相輸出 B 的電流計(jì)算方法如下：
.
由于數(shù)據(jù)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(shù)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：
,
而更少正輸出（或者低輸出）必須注入電流：
.
圖3 顯示了在規(guī)定共模電壓范圍，驅(qū)動(dòng) RCM = 375 Ω 最大共模負(fù)載 (32 UL) 的一個(gè) 5V 收發(fā)器的最小輸出電流要求。用于繪制該圖的參數(shù)假設(shè)為 VOS = 2.5 V、VOD = 1.5 V、RD = 60 Ω 和 RCM = 375 Ω。
圖35V 收發(fā)器的總線電流要求
該圖表明，一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的 5V 收發(fā)器必須能夠拉出和注入高達(dá) 53 mA 的輸出電流。實(shí)際上，市場上銷售的大多數(shù) RS-485 收發(fā)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(fù)載的最大共模負(fù)載進(jìn)行一些重要的澄清，以消除許多普遍存在的誤解。
- RS-485 中規(guī)定的 32 單位負(fù)載的最大共模負(fù)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(fù)載，不僅僅只是接收機(jī)輸入。例如，一個(gè)外部故障保護(hù)電阻器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)使用了 22 UL 的總負(fù)載，從而使得僅有 10 UL 可用于接收機(jī)輸入。剩余的 10 UL，可以通過使用 10 x 1 UL 收發(fā)器或者至多 80 x 1/8 UL 收發(fā)器，來讓其得到利用。
- 32 UL 最大負(fù)載的規(guī)定，針對 –7 V 到 +12V 的整個(gè) VCM 范圍。如圖3 所示，讓 VCM 范圍變窄會(huì)降低輸出電流，并讓驅(qū)動(dòng)器儲(chǔ)存一些電流。之后，可以利用這些儲(chǔ)存電流來驅(qū)動(dòng)更多的單位負(fù)載。驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)接地之間地電位差 (GPD) 較小的數(shù)據(jù)鏈路中，可以應(yīng)用這一原則，其解答了我們在一開始提出的第二個(gè)問題。
圖4 顯示了單位負(fù)載數(shù)，其為 GPD 振幅的函數(shù)。請注意，GPD 并非為 DC 電壓，而是 AC 電壓，其在系統(tǒng)電源電源頻率的第三諧波變換。
圖4單位負(fù)載數(shù)為GPD 振幅的函數(shù)
小結(jié)
本文介紹了 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)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(shí)可以增加 32 UL 規(guī)定共模負(fù)載。
接下來，《信號鏈基礎(chǔ)知識》將討論如何滿足檢驗(yàn)可編程儀表放大器增益級中參考引腳的動(dòng)態(tài)要求。
參考文獻(xiàn)
《RS-422 和 RS485 標(biāo)準(zhǔn)概述與系統(tǒng)配置》，2010 年 5 月修訂，2002 年 6 月刊 TI《應(yīng)用手冊 SLLA070D》。
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