RS-485：总线电流要求与收发器驱动能力

　　越来越多的人在问关于EIA/TIA-485（俗称RS-485数据传输标准）基本概念的一些问题，这一事实表明未来数年RS-485仍会在各种工业接口中起到举足轻重的作用。
   　　本文中，我们将为您解答许多常见和最新的问题，例如：
   　　1）RS-485收发器可以驱动多大的总线电流？
   　　2）可以驱动32以上单位负载吗？
   　　要回答第一个问题，我们需要研究图1所示典型RS-485数据链路。我们看到，除驱动通过端接电阻器的差分电流以外，驱动器还必须驱动通过许多接收机输入阻抗的电流，以及通过位于总线上的故障保护网络的电流。这些阻抗在差分信号线路和接地之间形成电流通路，同时影响了A和B信号线的电流，且影响程度相同。因此，可以将它们表示为共模阻抗RCM。
   　　
   　　图1 典型RS-485数据链路
   　　为了对最大共模负载进行定义，RS-485使用了一个单位负载的理论概念，其定义了一个12kΩ共模负载电阻。这样一来，一个单位负载 （1UL） 收发器便代表在每个接地相关总线端有一个RINEQ = 12kΩ的等效输入电阻。
   　　RS-485规定一个收发器必须能够驱动高达32单位负载的总共模负载，同时能够给RD = 60Ω差分电阻提供VOD=1.5 V的差分输出电压。另外，该标准还要求在VCM=–7 V到+12V共模电压范围保持这种驱动能力，以便允许驱动器和接收机接地之间的大接地电位差，其一般会出现在远距离数据链路中。
   　　60Ω差分电阻代表两个并联120 Ω端接电阻器的电阻值，而32单位负载得到的总共模负载电阻为RCM=12kΩ/32=375Ω。共模负载条件下收发器驱动能力测试的相应测试电路也指定为RS-485标准，其如图2所示。
   　　
   　　图2 共模负载的驱动器测试电路
   　　假设非反相驱动器输出A具有更高的正总线电压，则其电流计算方法为：
   　　
   　　而反相输出B的电流计算方法如下：
   　　
   　　由于数据传输期间A和B输出不断改变极性，因此最好是使用一些通用术语来表示输出电流方程式。所以，更多正输出（或者高输出）必须拉出电流：
   　　
   　　而更少正输出（或者低输出）必须注入电流：
   　　
   　　图3显示了在规定共模电压范围，驱动RCM=375Ω最大共模负载 （32UL） 的一个5V收发器的最小输出电流要求。用于绘制该图的参数假设为VOS=2.5 V、VOD=1.5 V、RD=60Ω和RCM=375Ω。
   
   　　
   　　图3 5V收发器的总线电流要求
   
   　　该图表明，一个符合标准的5V收发器必须能够拉出和注入高达53mA的输出电流。实际上，市场上销售的大多数RS-485收发器，都具有60mA及以上的最小注入和拉出能力。
   　　越来越多的人在问关于EIA/TIA-485（俗称RS-485数据传输标准）基本概念的一些问题，这一事实表明未来数年RS-485仍会在各种工业接口中起到举足轻重的作用。
   　　本文中，我们将为您解答许多常见和最新的问题，例如：
   　　1）RS-485收发器可以驱动多大的总线电流？
   　　2）可以驱动32以上单位负载吗？
   　　要回答第一个问题，我们需要研究图1所示典型RS-485数据链路。我们看到，除驱动通过端接电阻器的差分电流以外，驱动器还必须驱动通过许多接收机输入阻抗的电流，以及通过位于总线上的故障保护网络的电流。这些阻抗在差分信号线路和接地之间形成电流通路，同时影响了A和B信号线的电流，且影响程度相同。因此，可以将它们表示为共模阻抗RCM。
   
   　　
   　　图1 典型RS-485数据链路
   
   　　为了对最大共模负载进行定义，RS-485使用了一个单位负载的理论概念，其定义了一个12kΩ共模负载电阻。这样一来，一个单位负载 （1UL） 收发器便代表在每个接地相关总线端有一个RINEQ = 12kΩ的等效输入电阻。
   　　RS-485规定一个收发器必须能够驱动高达32单位负载的总共模负载，同时能够给RD = 60Ω差分电阻提供VOD=1.5 V的差分输出电压。另外，该标准还要求在VCM=–7 V到+12V共模电压范围保持这种驱动能力，以便允许驱动器和接收机接地之间的大接地电位差，其一般会出现在远距离数据链路中。
   　　60Ω差分电阻代表两个并联120 Ω端接电阻器的电阻值，而32单位负载得到的总共模负载电阻为RCM=12kΩ/32=375Ω。共模负载条件下收发器驱动能力测试的相应测试电路也指定为RS-485标准，其如图2所示。
   
   　　
   　　图2 共模负载的驱动器测试电路
   
   　　假设非反相驱动器输出A具有更高的正总线电压，则其电流计算方法为：
   　　
   　　而反相输出B的电流计算方法如下：
   　　
   　　由于数据传输期间A和B输出不断改变极性，因此最好是使用一些通用术语来表示输出电流方程式。所以，更多正输出（或者高输出）必须拉出电流：
   　　
   　　而更少正输出（或者低输出）必须注入电流：
   　　
   　　图3显示了在规定共模电压范围，驱动RCM=375Ω最大共模负载 （32UL） 的一个5V收发器的最小输出电流要求。用于绘制该图的参数假设为VOS=2.5 V、VOD=1.5 V、RD=60Ω和RCM=375Ω。
   
   　　
   　　图3 5V收发器的总线电流要求
   　　该图表明，一个符合标准的5V收发器必须能够拉出和注入高达53mA的输出电流。实际上，市场上销售的大多数RS-485收发器，都具有60mA及以上的最小注入和拉出能力。
   　　就此而言，需要对32单位负载的最大共模负载进行一些重要的澄清，以消除许多普遍存在的误解。
   　　·RS-485中规定的32单位负载的最大共模负载，指的是存在于差分信号对和信号地线之间的任何共模负载，不仅仅只是接收机输入。例如，一个外部故障保护电阻器网络已经使用了22UL的总负载，从而使得仅有10UL可用于接收机输入。剩余的10UL，可以通过使用10x1UL 收发器或者至多80x1/8UL 收发器，来让其得到利用。
   　　·32 UL最大负载的规定，针对–7V到+12V的整个VCM范围。如图3所示，让VCM范围变窄会降低输出电流，并让驱动器储存一些电流。之后，可以利用这些储存电流来驱动更多的单位负载。驱动器和接收机接地之间地电位差 （GPD） 较小的数据链路中，可以应用这一原则，其解答了我们在一开始提出的第二个问题。
   　　图4显示了单位负载数，其为GPD振幅的函数。请注意，GPD并非为DC电压，而是AC电压，其在系统电源电源频率的第三谐波变换。
   　　
   　　图4 单位负载数为GPD振幅的函数
   　　小结
   　　本文介绍了RS-495标准收发器的最小总线电流要求约为60mA，并表明在更低共模电压下工作时可以增加32UL规定共模负载。