【導讀】RS-485 總線(xiàn)端接在許多應用中都很有用，它有助于提高信號完整性并減少通信問(wèn)題?！岸私印笔侵笇㈦娎|的特性阻抗與端接網(wǎng)絡(luò )相匹配，使總線(xiàn)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(xiàn)將出現失配的情況，從而在網(wǎng)絡(luò )末端產(chǎn)生反射，導致整體信號完整性降低。
1、何時(shí)需要 RS-485 總線(xiàn)端接，如何正確進(jìn)行端接？
RS-485 總線(xiàn)端接在許多應用中都很有用，它有助于提高信號完整性并減少通信問(wèn)題?！岸私印笔侵笇㈦娎|的特性阻抗與端接網(wǎng)絡(luò )相匹配，使總線(xiàn)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(xiàn)將出現失配的情況，從而在網(wǎng)絡(luò )末端產(chǎn)生反射，導致整體信號完整性降低。
在網(wǎng)絡(luò )的雙向環(huán)路時(shí)間遠大于信號位時(shí)間時(shí)，不需要端接，因為每次反射到達網(wǎng)絡(luò )末端時(shí)，它們都會(huì )損失能量。但是對于信號位時(shí)間并不明顯長(cháng)于電纜環(huán)路時(shí)間的應用，為了盡量減少反射，端接至關(guān)重要。
基本的端接稱(chēng)為并聯(lián)端接，由單個(gè)電阻組成，如圖 1 所示。RS-485 標準要求標稱(chēng)特性阻抗為 120Ω，因此端接電阻的默認阻值應為 RT = 120Ω。
圖 1：具有并聯(lián)端接的 RS-485 總線(xiàn)
THVD1424 收發(fā)器是一款靈活的 RS-485 收發(fā)器，在驅動(dòng)器和接收器總線(xiàn)引腳之間集成了 120Ω 端接電阻。端接電阻可以通過(guò)專(zhuān)用引腳 TERM_TX 和 TERM_RX 打開(kāi)或關(guān)閉，從而支持系統設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 )的所有節點(diǎn)位置（中間節點(diǎn)或末端節點(diǎn)）。
2、什么是失效防護偏置，如何實(shí)現？
失效防護偏置機制可確保 RS-485 接收器不會(huì )因差分輸入電壓而處于不確定狀態(tài)。電子工業(yè)協(xié)會(huì ) (EIA)-485 標準規定，當差分電壓 ≥+200mV 時(shí)，RS-485 的輸入閾值為邏輯高電平；當差分電壓 ≤-200mV 時(shí)，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(guò)兩種方式實(shí)現失效防護偏置：
● 選擇具有接收器內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(xiàn)空閑時(shí)產(chǎn)生外部偏置。
以上兩種方法都可以確?？偩€(xiàn)處于邏輯高電平狀態(tài)。
3、如何計算 RS-485 總線(xiàn)上的最大節點(diǎn)數？
RS-485 是一種多點(diǎn)差分總線(xiàn)，因此總線(xiàn)上的所有節點(diǎn)共用一個(gè)傳輸介質(zhì)。隨著(zhù)節點(diǎn)總數的增加，每個(gè)驅動(dòng)器上的負載也會(huì )增加。
電信行業(yè)協(xié)會(huì ) (TIA)/EIA-485 標準規定了一個(gè)假設的單位負載 (UL)，用于幫助計算 RS-485 總線(xiàn)上的最大節點(diǎn)數。該標準規定，驅動(dòng)器必須能夠在最多 32 個(gè)單位負載上驅動(dòng)至少 1.5V 的差分信號，并在總線(xiàn)兩端并聯(lián)兩個(gè) 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。確定節點(diǎn)的輸入電阻后，您可以使用公式 2 計算 RS-485 總線(xiàn)上的最大節點(diǎn)數：
Input Resistance = Max (VIN/Ileakage) (1)
No. of Nodes = 32/Input Resistance (2)
4、何時(shí)需要在節點(diǎn)之間添加地線(xiàn)？
設計遠程數據鏈路時(shí)，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，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(guò)接收器的共模范圍時(shí)（在較長(cháng)電纜和大電流負載下經(jīng)常發(fā)生），將需要使用適當的接地技術(shù)。
圖 2：遠程節點(diǎn)配置：?jiǎn)为毥拥?(a)；直接連接遠程接地 (b)；器件地和局部系統地分開(kāi) (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點(diǎn)。對裝置的任何變動(dòng)（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，現在可正常工作的數據鏈路可能會(huì )在將來(lái)停止運行。
也不建議通過(guò)地線(xiàn)直接進(jìn)行遠程接地（圖 2b），因為直接連接會(huì )導致大接地環(huán)路電流以共模噪聲的形式耦合到數據線(xiàn)路。
為了實(shí)現遠程接地的直接連接，RS-485 標準建議通過(guò)插入電阻器將器件地與局部系統地分開(kāi)（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(huì )使數據鏈路對環(huán)路某個(gè)位置產(chǎn)生的噪聲敏感。因此，還不能確保數據鏈路的穩定性。
要在穩定的 RS-485 數據鏈路上遠距離承受高達幾千伏 GPD，理想方法是將總線(xiàn)收發(fā)器的信號和電源線(xiàn)與其本地信號和電源進(jìn)行電隔離。在這種情況下，電源隔離器（例如隔離式直流/直流轉換器）和信號隔離器（例如數字電容隔離器）可防止電流在遠程系統地之間流動(dòng)，并避免產(chǎn)生電流環(huán)路。
5、RS-485 的長(cháng)度和速度建議值是什么？
在給定數據速率下，最大總線(xiàn)長(cháng)度受到傳輸線(xiàn)損耗和信號抖動(dòng)的限制。由于波特周期內具有 10% 或以上的抖動(dòng)，數據可靠性會(huì )急劇下降。圖 3 顯示了傳統 RS-485 電纜在 10% 信號抖動(dòng)下的電纜長(cháng)度與數據速率的特性曲線(xiàn)。
圖 3：電纜長(cháng)度與數據速率建議
在圖 3 中，標記為編號 1 的圓圈代表在短電纜長(cháng)度下的高數據速率區域。在這里，傳輸線(xiàn)路的損耗可以忽略不計；數據速率主要由驅動(dòng)器的上升時(shí)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 的數據速率運行。
圖 3 中的紅色編號 2 區域是從短數據線(xiàn)路到長(cháng)數據線(xiàn)路的過(guò)渡。較長(cháng)傳輸線(xiàn)路的損耗必須考慮在內。因此，隨著(zhù)電纜長(cháng)度的增加，數據速率必須降低。根據經(jīng)驗，線(xiàn)路長(cháng)度 [m] 與數據速率 [bps] 的乘積應該是 108。
紅色編號 3 代表較低頻范圍，在此范圍內，電纜串聯(lián)電阻和線(xiàn)路末端端接之間的相互作用導致信號衰減。在某個(gè)時(shí)刻，信號幅度小于接收器可以正確檢測到的幅度（即，不超過(guò) VIT 閾值）。
THVD1424 收發(fā)器具有 SLR（壓擺率控制）引腳，支持由系統設計人員用于低速（最大 500kbps）和快速（最大 20Mbps）應用。
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(gè)部分。當器件在沒(méi)有外部負載的情況下上電時(shí)，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(huì )提供驅動(dòng)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(xiàn) PDic 是器件消耗的功率。對于低數據速率，功率損耗主要來(lái)自阻性負載（紅色跡線(xiàn)）PDdc。對于高數據速率，需要考慮容性負載的功率損耗（綠色跡線(xiàn)）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(gè)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 在數據表中指定：
PDic = Vcc*Icc (4)
如果總線(xiàn)上放置了阻性負載，驅動(dòng)器會(huì )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(xiàn)電容。計算中也會(huì )用到數據頻率 f。
PDdc = Vcc*I – I2*R = (Vcc – I*R)*I (5)
PDac = 2*2C*f*Vcc*Vod (6)
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(lèi)型，包括人體放電模型、國際電工委員會(huì ) (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(wú)需外部元件來(lái)保護 RS-485 接口免受收發(fā)器指定級別 ESD 影響。
例如，無(wú)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(chǎng)上的許多器件沒(méi)有集成這種保護功能，所以會(huì )需要外部瞬態(tài)電壓抑制 (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(guò)應力瞬態(tài)會(huì )破壞數據傳輸并損壞總線(xiàn)收發(fā)器，除非采取有效措施來(lái)減少瞬態(tài)影響。
TI 器件已根據以下標準進(jìn)行了測試：
ESD 抗擾度測試 IEC 61000-4-2，這項測試會(huì )模擬操作員直接向相鄰電子元件進(jìn)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(huì )模擬由感性負載中斷、繼電器觸點(diǎn)跳動(dòng)等引起的日常開(kāi)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 是涉及電流和持續時(shí)間的非常嚴格的瞬態(tài)抗擾度測試，比 ESD 和 EFT 測試時(shí)間長(cháng)約 1,000 倍。THVD1429 和 THVD1419 經(jīng)測試符合此項標準。
TI THVD 系列全新 RS-485 收發(fā)器根據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據表中指定。
9、如何在發(fā)生較高電壓的短路時(shí)提供保護？
在許多 RS-485 應用中，通信線(xiàn)路可能會(huì )意外連接到電源線(xiàn)上，尤其是在 HVAC 系統、照明控制或其他樓宇自動(dòng)化應用等現場(chǎng)安裝的系統中。在這些情況下，必須確保 RS-485 收發(fā)器不會(huì )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(wú)法對持續時(shí)間較長(cháng)的應力（例如直流短路）提供保護。這時(shí)，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 (PTC) 電阻器，這種電阻器在標稱(chēng)條件下具有低阻值，但在有大電流通過(guò)的故障條件下（例如，流入 TVS 等鉗位器件），電阻就會(huì )變大。
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(huì )占用寶貴的 PCB 空間。因此，大多數情況下的更優(yōu)方法是使用能夠承受這些高故障電壓而無(wú)需外部保護的收發(fā)器。THVD2450 就是一個(gè)例子，它可承受高達 +/- 70V 的直流短路。
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