RS-485收发器教程

Intersil公司精密产品应用工程师 Jeff Lies

RS-485收发器教程

Intersil公司精密产品应用工程师 Jeff Lies

0 引言

TIA/EIA-485和TIA/EIA-422（亦称RS-485和RS-422）是由美国电信工业协会/电子工业联盟（TIA/EIA）发布的有线通信标准。它们使用差分信令机制来实现远距离和嘈杂工业及工厂自动化环境中的数据传输。差分信令机制可抑制共模噪声，而推荐的双绞线电缆可确保收到的大多数干扰是共模噪声。长传输距离增加了两端地电平的压差，但这些标准的宽共模范围（CMR）可确保网络正常运行，即使存在相当大的共模电压也不例外。如图1所示，发射器（Tx）和接收器（Rx）均有非反转（Y和A）和反转（Z和B）引脚。

图1 典型RS-485和RS-422引出线

半双工器件用于通过单根电缆进行的双向通信，因此对应的Rx和Tx端子连接至同一 IC封装引脚。使用两根电缆进行双向通信的网络采用全双工器件，其中Rx和Tx端子连接至不同的引脚。

由于市场上的收发器种类繁多，所以为您的应用挑选最合适、最具成本效益的收发器可能会很困难。这篇分为两部分的文章可指导您完成选择和权衡关键设计考虑事项，以帮助您挑选合适的收发器。第一部分考察了最典型的RS-485 IC并分析了最常见的设计考虑事项。第二部分将考察静电放电（ESD）保护，比较人体模型和 IEC61000-4-2（IEC）标准，然后讨论过压保护（OVP），并提供极高速收发器（数据传输速率高于25 Mb/s，这时波形失真是个严重问题）的简介。

1 RS-485要求及设计

1.1 RS-485要求

RS-485标准包括 14页内容，下面是其中一些最重要的要求：

·差分信令机制，有非常灵敏的（±200 mV）Rx和健全的±1.5 V Tx差分输出电压（VOD）。该组合可确保强大的噪声容限，以适应长电缆的衰减。

·Tx必须有一个启用（enable）引脚。RS-485允许总线上有多个驱动器来实现通过单根电缆进行真正的双向传输，所以每个Tx必须具有三态输出能力。

·TX具备足够电流输出能力以驱动长线缆的双端接。通过单根电缆进行高速双向传输需要两个终端。

·至少-7 V～+12 V的宽CMR。RS-485可支持4 000英尺长（1 220 m）的网络。大CMR可处理长距离上可能出现的地电势差，以及适应嘈杂环境中的更大感应总线电压。该CMR还允许具有不同供电电压的器件通过同一总线通信。

·约12 kΩ的接收器输入电阻。标准允许总线上最多有32个 “1单位负载”器件，来自每个器件（Tx或Rx）的负载必须≤1 mA（总线有12 V偏压）。

1.2 RS-422与RS-485对比

RS-422非常类似于RS-485，但RS-422只允许总线上有 1个 Tx和最多10个Rx。这种单Tx多Rx配置称为多点通信或广播网络。一个驱动器限制消除了对Tx启用引脚的需要，这可将终端要求减少至一个120 Ω电阻，并使全双工收发器或独立的Rx和Tx IC的使用成为必要。RS-422网络比RS-485网络简单得多。

1.3 RS-485接收器（R×）

标准RS-485 Rx将高于+200 mV的任何差分电压（引脚A-引脚B）均视为逻辑1，将低于-200 mV的任何差分电压视为逻辑0，这些输入阈值在-7 V～+12 V的宽CMR范围上必须得到满足。在-200 mV与+200 mV之间的任何Rx输入电压（如0 V差分电压）逻辑值是不确定的。驱动器的±1.5 V差分输出电压（VOD）与接收器的±200 mV阈值间的大差量，会产生优良的抗噪性和处理来自长电缆的衰减的能力。标准允许1条总线上有32个单位负载（UL），其中1个UL规定为在总线对地电压为+12 V时消耗电流不超过1 mA的器件。

1.4 RS-485发射器（T×）

标准RS-485 Tx是一个带差分输出的驱动器，规定为向一个 54 Ω差分负载提供至少1.5 V差分电压（VOD）。54 Ω负载是在最多允许两个120 Ω终端电阻与 32个 1 UL接收器并联的条件下得出的。RS-485产品族通常包括输出压摆率设置为适应两种或三种数据传输速率的驱动器。对较低数据传输速率应用采用正确压摆率限制的器件可最小化电磁干扰（EMI），并减小不理想的发射线匹配和终端所造成的影响。

1.5 基础RS-485收发器

短距离、简单和低节点数目网络常常使用低成本RS-485收发器。短距离网络不会获得大量共模电压（CMV），所以除了RS-485标准CMR它们不需要更多东西，也不应当需要过压保护（OVP）。节点数少于32的简单网络不需要分数单位负载器件，如果电缆不频繁连接和断开，可能也不需要静电放电（ESD）保护。不过，一些基础器件确实包括±8 kV～±15 kV人体模型ESD保护。RS-422网络有一个始终启用的驱动器，所以总线始终受到驱动，且不需要总线偏压。如果总线短路，则意味着它不需要被当作发射线，或者如果数据传输速率非常低，则可能不需要总线终端，基础RS-485收发器就够用了。但是，当多驱动器RS-485系统需要终端时可能会出现问题。

请考虑当总线空闲（没有Tx主动驱动总线，例如当在总线上的Tx之间切换时）时图2所示电路会发生什么情况。由于总线上的所有Tx都是三态的，所以差分终端电阻将总线电压迅速降低至接近0 V差分电压，这在前面的描述中是一个不确定的电压等级。总线上存在该电压时，Rx可能驱动其输出（Ro）至1或0，或者在更坏的情况下：其可能出现摇摆。这是有问题的，因为监测Ro的微控制器（μC）可能将任何从高到低的过渡解释为“起始位”信息，摇摆的 Ro会浪费宝贵的μC带宽，因为其会试图处理无尽的虚假信息流。

总线电压迅速降低问题的经典解决方案是添加总线偏压电阻，如图3所示。上拉和下拉电阻会将差分总线电压偏置到几百个mV的正电压，这会在总线空闲时保持逻辑1电平。遗憾的是，此方法需要在用于提供抗噪性的总线空闲电压和Tx负载之间进行平衡，使设计任务更加复杂，并添加从Vcc至GND的DC电路路径。要在60 Ω（两个并联终端电阻）上获得最小（0噪声容限）+200 mV DC偏压需要3.33 mA电流。使用3.3 V供电电压，产生该电流所需的偏置电阻为每个 470 Ω，这是相当大的负载。Tx负载的这一增加会显著减少总线上允许的收发器数目。

图2 端接的多驱动器总线

图3 总线偏置解决了空闲问题，同时带来新问题

更新的“全功能”RS-485收发器通过一项特殊的故障保护功能来解决这个问题。

1.6 全功能RS-485收发器

更新的 RS-485 IC是“全功能”收发器，包括先进的Rx故障保护功能、分数单位负载和经过改进ESD电阻。例子包括来自 Intersil的ISL317XE和 ISL315XE收发器产品族，前者面向 3.3 V应用，后者面向5 V应用。

1.7 完全故障保护（FFS）R×

在过去二十年中，RS-485收发器增加的最重要功能之一是接收器完全故障保护（FFS）功能，尽管其并不包含于RS-485标准。FFS意味着无论Rx输入是浮空的、一起短路的，还是未被驱动的和被终端电阻短路的，Rx均可将其输出驱动至定义状态（通常是逻辑1）。如前面所提到的，只要端接的多Tx总线不是被主动驱动的，上述最后一个条件就会出现。FFS Rx的出现通过重新定义Rx输入阈值解决了总线电压迅速下降问题。通过将Rx输入高阈值改变为很小的负差分电压 （通常为-20 mV～-50 mV），Rx现在将0 V差分电压识别为有效高输入电平。该改变仍然符合RS-485标准，因为大于+200 mV的任何电压仍然被视为高电平，而负Rx阈值保持不变。FFS Rx消除了对总线偏压的需要，这允许总线负荷最大数量的收发器。

使用FFS Rx会产生两个缺点。首先，由于输入阈值切换区间被切成两半：从 400 mV到约 200 mV，所以难以在Rx输入中设计过多滞后。因此，FFS Rx滞后约 20～40 mV，而非FFS Rx可能约大于70 mV，所以FFS Rx的抗噪性低于标准 Rx。其次，不对称FFS切换点可能在具有缓慢总线过渡的网络上造成占空比失真。

1.8 分数单位负载

随着网络节点数增加到32个以上，标准RS-485器件的用户需要添加中继器来将网络分成32个UL节点段。全功能产品族通过实施具有较高输入阻抗的Rx来解决这个问题，这允许总线上有更多器件，同时仍然满足 RS-485 32 mA最大负载电流要求。1/4 UL器件拥有≤250 μA的输入电流，所以总线上允许有 128个收发器 （128×250 μA=32 mA）。1/8 UL器件拥有≤125 μA的输入电流，所以总线上允许有256个收发器。被禁用的Tx负载电流通常可忽略，所以负载计算主要考虑Rx输入电阻。单位负载概念是严格限制于DC负载的，所以AC考虑（例如电缆的长度、节点的间距或节点的电容）可能使节点数目限于小于UL允许的值。

2 静电放电（ESD）保护

2.1 增强的ESD保护

全功能收发器还包括对总线引脚的增强的ESD保护的一些形式。总线引脚通常连接至设备外表面上的暴露端口。这一暴露使端口特别易受ESD事件影响，仅仅连接带电的接口电缆就可能使未受保护的收发器损坏。

总线引脚ESD保护遵循以下两种标准之一：广为人知的人体模型（HBM）标准，常见于美国；IEC61000-4-2（IEC）标准，常见于欧洲并且日益被全球接受。HBM试验模拟的是制造和搬运期间遇到的 ESD事件类型，而IEC ESD试验是一项终端设备试验，目的是使设备能够经受野外遇到的ESD事件。IEC ESD标准包含两种试验方法：一种是接触法（与HBM一样），一种是气隙法。在气隙法中，将一个带电电极移近受试引脚，直至电极通过气隙对引脚放电。接触法是使电极在带电前接触受试引脚。

HBM和 IEC61000标准的最大差别是放电网络中的元件值（参见图4）。IEC61000标准的电荷存储电容大50%，串联限流电阻为 330 Ω（HBM是1.5 kΩ）。这一较低电阻值可使峰值ESD电流增加近四倍，导致严格得多的ESD试验。

图4 人体模型和IEC61000-4-2放电网络

表1显示了IEC ESD模型和人体模型的差异，可以看到，IEC的每个参数都更加严格。除了高近四倍的峰值电流，脉冲上升时间也显著更快，迫使片上保护电路更快作出响应，所有脉冲能量在少一半的时间内被输送到IC，且IEC要求10个ESD脉冲而不是3个。

表1 IEC61000-4-2和人体模型参数及分类等级比较

如表1所示，HBM和IEC ESD各有3个和4个分类等级。全功能收发器使用的特殊ESD结构使它们能够达到每个标准的最高等级。这些高ESD结构可为IC提供保护，无论其是否带电，且不会干扰RS-485标准的-7 V～+12 V CMR。对接口IC增加IEC61000 ESD保护可通过消除对电路板级保护的需要，为设计工程师节省时间和金钱，并最大限度减少由于ESD损坏造成的现场退货。

2.2 具有大差分输出电压（VOD）的全功能收发器

有些标准（如 Profibus DP）对物理层使用 RS-485，但要求大得多的2.1 V Tx VOD来实现更佳的驱动和抗噪性。例如，来自 Intersil的5 VISL3150产品族具有 2.4 V的最低VOD，这比标准RS-485 IC提供大 900 mV的抗噪性，而 40 Mb/s ISL3159E提供2.1 V的最小值。另外，大VOD还允许这些收发器驱动比RS-485标准要求的两个终端更多的负载。ISL315XE 收发 器 能 驱动RS-485要求的 1.5 V VOD到达6～8个终端（RS-485要求的 3～4倍），使它们成为“星形”网络或需要两个以上终端的非标准网络的理想之选。

2.3 过压保护（OVP）器件

当供电电缆和数据电缆处于同一线槽时会出现另一个应用问题。接线错误、连接松动甚至焊料残留物都可能造成电力线接触PCB上或连接器中的数据连接件。由于工业电源电压一般超过20 V，所以与数据线接触会造成未受保护的标准RS-485收发器损坏。由此产生了过压保护或故障保护收发器，其设计使得RS-485总线引脚能够承受远高于RS-485标准要求的电压。OVP器件（如ISL3243XE和ISL3249XE）提

供±40 V至±60 V的过压保护，以及宽共模电压范围（CMR），可高达RS-485标准要求的范围的两倍。更宽的CMR允许在长距离网络或嘈杂环境中经常出现的共模电压获取。Intersil OVP器件的规定是CMR为±15 V～±25 V，意味着发射器和接收器甚至在面临大共模电压时也能通信。

高电压承受能力的一个关键优势是容易设计总线引脚保护网络。如果DC或瞬态总线电压可超过收发器的总线引脚额定电压，则必须为收发器设计添加瞬态电压抑制器（TVS）IC等外围保护器件。-7 V～+12 V标准 CMR的不对称性使得难以使用基础双向TVSIC。选择±12 V TVS允许负电压超过收发器的-7 V限制，而使用±7 V TVS需要截去标准的+CMR的40%。相反，OVP收发器的对称总线引脚电压可轻松适应双向TVS保护，且因为TVS硬箝位电压与总线引脚损坏电压间的额外余量使该保护更强大。例如，在要保护具有±25 V CMR的OVP器件时，只需选择关态电压高于±25 V且低于OVP等级的双向TVS。需要牢记的是TVS器件的硬箝位电压通常比其关态电压高50%，所以要选择允许所需CMR的最低TVS电压。事实证明，TVS电压处于±25 V～±40 V范围时能够为±60 V OVP IC提供良好的保护。

除了±16.5 kV HBM ESD，OVP和宽CMR特性使这些器件成为市场上最可靠的RS-485收发器。它们还是全功能器件，所以它们具有FFS功能，并且只向总线施加 1/4 UL。

2.4 具有电缆反向功能的OVP器件

高节点数目 RS-485网络常常因为接线错误的节点（如数据线互换）而中断，但测试和重新连接连接器是一项手动和耗时的任务。更好的解决办法是使用具有电缆反向（亦称极性反转）功能的 RS-485收发器。只需移动一个跨接线或改变GPIO线的状态即可反转收发器的极性，使接线错误的节点在总线上正常通信。

使用传统 RS-485收发器时，接收器/发射器A/Y引脚是非反向输入，而B/Z引脚是反向连接。反转这些引脚与总线的连接会使所接收和发射的数据反向，导致通信错误。

具有极性反转功能的收发器在极性反转输入处于非活动状态时类似于正常收发器，但在极性选择输入切换至活动状态时会反转总线引脚的极性。因此，B/Z引脚变为非反向引脚，而A/Y引脚变为反向引脚，所以收发器现在可正常通信，即使其总线连接是反向的。ISL3248XE 5 V产品族以及 3～5 V ISL32437E和ISL32457E全都包括电缆反向功能。

电缆反向功能的一个问题是前面描述的反向还会使完全故障保护输出状态反向。因此，激活电缆反向功能会使接收器在其输入为浮空或一起短路时输出一个逻辑低值，这与μC的期待是相反的。Intersil通过实施一项专利功能解决了这个问题，该功能不管收发器是正常还是反转极性状态下均可保持FFS功能，使Intersil器件易于使用。

2.5 极高速收发器（＞25 Mb/s）

接近实时的应用，如机器人、电动机控制（如 EnDat2.2）和数据采集等，都需要最高数据传输速率（＞25 Mb/s），以最大限度缩短延迟和增加吞吐量。极高数据传输速率要求低Tx和Rx偏移，以最大限度减轻占空比失真，以及低元件-元件偏移，以支持高速并行应用（如 SCSI Fast-20和 Fast-40）——这时数据偏移是个严重问题。

作为低偏移的重要性的一个例子，我们考虑各具有5 ns偏移的一个Rx和Tx。对其中任一器件输入一个 100 ns（10 Mb/s）脉冲会导致一个 95 ns～105 ns的输出脉冲。如果偏移是在同一方向（加性），则在两个μC间发送的一个数位可能在接收器端小至 90 ns。这只是 10%失真，但如果相同的Rx和Tx发射一个 40 Mb/s信号（25 ns位宽），则相同的偏移会导致不可接受的40%脉宽失真。

高速器件（例如来自Intersil的产品）提供1.5 ns的最大Rx和 Tx偏移，以及4 ns的最大元件-元件偏移。ISL3179E（3 V）和 ISL3159E（5 V）的数据传输速率规定为 40 Mb/s，而ISL3259E（5 V）的数据传输速率可达100 Mb/s。所有元件都有125℃选项（扩展工业范围），以适应电动机控制应用的高温条件，这些器件采用MSOP和DFN封装，以适应空间紧张的应用，并提供±15 kV IEC ESD保护等级。另外，ISL3159E 和ISL3259E的 Tx VOD＞2.1 V，使它们成为高速 Profibus DP网络的理想选择。

3 总结

虽然市场上有大量 RS-485/ RS-422器件，但了解常见的设计问题以及用于解决这些问题的收发器功能，可简化设计工程师为特定应用选择最合适RS-485器件的任务。欲了解有关RS-485/RS-422收发器的更多信息，请访问 www.intersil.com/en/products/interface/serial-interface.html.。