信號鏈基礎知識 RS-485：總線電流要求與收發(fā)器驅動能力

越來越多的人在問關于 EIA/TIA-485（俗稱 RS-485 數(shù)據(jù)傳輸標準）基本概念的一些問題，這一事實表明未來數(shù)年 RS-485 仍會在各種工業(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)器可以驅動多大的總線電流？

2）可以驅動 32 以上單位負載嗎？

 

要回答第一個問題，我們需要研究圖1 所示典型 RS-485 數(shù)據(jù)鏈路。我們看到，除驅動通過端接電阻器的差分電流以外，驅動器還必須驅動通過許多接收機輸入阻抗的電流，以及通過位于總線上的故障保護網(wǎng)絡的電流。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 R_CM。

 

 

為了對最大共模負載進行定義，RS-485 使用了一個單位負載的理論概念，其定義了一個 12kΩ 共模負載電阻。這樣一來，一個單位負載 (1UL) 收發(fā)器便代表在每個接地相關總線端有一個R_INEQ = 12 kΩ 的等效輸入電阻。

 

RS-485 規(guī)定一個收發(fā)器必須能夠驅動高達 32 單位負載的總共模負載，同時能夠給 R_D = 60Ω 差分電阻提供 V_OD = 1.5 V 的差分輸出電壓。另外，該標準還要求在 V_CM = –7 V 到 +12 V 共模電壓范圍保持這種驅動能力，以便允許驅動器和接收機接地之間的大接地電位差，其一般會出現(xiàn)在遠距離數(shù)據(jù)鏈路中。

 

60 Ω 差分電阻代表兩個并聯(lián) 120 Ω 端接電阻器的電阻值，而 32 單位負載得到的總共模負載電阻為 R_CM = 12 kΩ / 32 = 375 Ω。共模負載條件下收發(fā)器驅動能力測試的相應測試電路也指定為 RS-485 標準，其如圖2 所示。

 

假設非反相驅動器輸出 A 具有更高的正總線電壓，則其電流計算方法為：

 

而反相輸出 B 的電流計算方法如下：

 

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，驅動 R_CM = 375 Ω 最大共模負載 (32 UL) 的一個 5V 收發(fā)器的最小輸出電流要求。用于繪制該圖的參數(shù)假設為 V_OS = 2.5 V、V_OD = 1.5 V、R_D = 60 Ω 和 R_CM = 375 Ω。

該圖表明，一個符合標準的 5V 收發(fā)器必須能夠拉出和注入高達 53 mA 的輸出電流。實際上，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 單位負載的最大共模負載進行一些重要的澄清，以消除許多普遍存在的誤解。

· RS-485 中規(guī)定的 32 單位負載的最大共模負載，指的是存在于差分信號對和信號地線之間的任何共模負載，不僅僅只是接收機輸入。例如，一個外部故障保護電阻器網(wǎng)絡已經(jīng)使用了 22 UL 的總負載，從而使得僅有 10 UL 可用于接收機輸入。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 最大負載的規(guī)定，針對 –7 V 到 +12V 的整個 V_CM 范圍。如圖3 所示，讓 VCM 范圍變窄會降低輸出電流，并讓驅動器儲存一些電流。之后，可以利用這些儲存電流來驅動更多的單位負載。驅動器和接收機接地之間地電位差 (GPD) 較小的數(shù)據(jù)鏈路中，可以應用這一原則，其解答了我們在一開始提出的第二個問題。

 

圖4 顯示了單位負載數(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。

本文介紹了 RS-495 標準收發(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可以增加 32 UL 規(guī)定共模負載。