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作者：Thomas Kugelstadt ，德州儀器 (TI) 高級應用工程師 許多工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設計人員對已經(jīng)存在了30年的工業(yè)接口標準（例如：RS-485 等）似乎仍然搞不清楚，這令人難以置信。盡管講解這種標準基礎知識的文獻有很多，但是TI應用團隊仍然每周都會(huì )收到一些基礎性問(wèn)題，例如：如何把故障保護偏置應用于閑置總線(xiàn)。 故障保護是指為端接閑置總線(xiàn)提供差動(dòng)電壓的技術(shù)，其目的是讓總線(xiàn)收發(fā)器的接收機輸出維持在邏輯高電平狀態(tài)。當傳統收發(fā)器設計用于總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計時(shí)，常常會(huì )要求使用這種技術(shù)。 一些傳統設計，例如：表1所示收發(fā)器，具有±200 mV 的寬輸入敏感度。這意味著(zhù)，+200 mV 和-200 mV 之間的小輸入信號可以讓接收機輸出變高或者低，從而使輸出狀態(tài)變得不確定。 在數據傳輸期間，要求滿(mǎn)負載總線(xiàn)的差動(dòng)線(xiàn)壓高于±1.5 V，其遠高于收發(fā)器的輸入敏感度。但是，在總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)權限從一個(gè)節點(diǎn)移交給另一個(gè)節點(diǎn)期間或者傳輸暫停期間，總線(xiàn)閑置。使兩個(gè)差動(dòng)信號對導體相互連接的低阻抗端接電阻器，讓差動(dòng)總線(xiàn)電壓為0V，剛好位于收發(fā)器輸入敏感度的中間，從而產(chǎn)生一個(gè)不確定的輸出。 因此，為了使接收機輸出在總線(xiàn)閑置期間保持邏輯高電平，必須對總線(xiàn)施加一個(gè)高于接收機正輸入閾值（VIT+ ）的正差動(dòng)故障保護電壓。表1表明，收發(fā)器每提高一代，理論要求故障保護電平便隨接收機正輸入閾值改變而下降。盡管收發(fā)器X要求最低+200 mV 的故障保護偏置，但是收發(fā)器Y和Z均可在沒(méi)有它的情況下工作，因為它們的正輸入閾值低于0V。不幸的是，這些值僅運用在無(wú)噪環(huán)境下，例如：實(shí)驗室或者地球的南北極，肯定不能在惡劣的工廠(chǎng)環(huán)境下使用，而RS-485 網(wǎng)絡(luò )就普遍安裝在這種環(huán)境中。 差動(dòng)噪聲會(huì )進(jìn)入總線(xiàn)，如果這種噪聲的量級被包括在故障保護電壓計算中，則其會(huì )錯誤觸發(fā)接收機輸入。利用一條雙絞線(xiàn)可幫助把線(xiàn)纜噪聲轉換為共模噪聲。之后，接收機的差動(dòng)輸入對這種噪聲進(jìn)行抑制。但是，線(xiàn)纜不規則性以及總線(xiàn)節點(diǎn)連接器出現的噪聲，可能會(huì )促進(jìn)差動(dòng)噪聲的產(chǎn)生，而這種噪聲是無(wú)法被接收機抑制的。 下一頁(yè)的圖1表明，當噪聲信號疊加在收發(fā)器X和Y的正輸入閾值電平上時(shí)，最小遲滯電壓決定接收機輸出出現錯誤邏輯狀態(tài)的噪聲電平。表1顯示了從不同產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)提取的接收機參數，它僅舉出了收發(fā)器Z的最小遲滯電平。使用兩個(gè)老式的收發(fā)器X和Y時(shí)，僅舉出典型的遲滯值。在某種情況下，例如：確定極端情況的最小故障保護值，典型值沒(méi)有意義。實(shí)際上，TI應用團隊同時(shí)測量了收發(fā)器X和Y的最小遲滯電壓，其接近規定典型值的一半。 表1 第一代、第二代和第三代（X、Y和Z）收發(fā)器的接收機輸入敏感度 
另外，有一種可能性是，給定收發(fā)器情況下，遲滯窗口可能位于正輸入閾值和負輸入閾值之間的任何位置。因此，進(jìn)行極端情況計算時(shí)，你必須假設遲滯窗口位于最高正閾值極限處。因此，要確定足夠高的故障保護偏置電壓，必須給正輸入閾值電壓添加預計峰到峰噪聲電平：VAB(min) = VIT+ + VN(PP_max)。 對于噪聲電平為VN(PP_max)= 50 mV的高度平衡總線(xiàn)來(lái)說(shuō)，使用收發(fā)器X要求差動(dòng)故障保護電壓為VAB(min) = 200 mV + 50 mV = 250 mV（圖1）。
在沒(méi)有外部偏置的情況下使用相同噪聲電平操作收發(fā)器Y，是一項高風(fēng)險的工作，特別是在最小遲滯遠小于標稱(chēng)值時(shí)。另外，給正輸入閾值增加噪聲電平，得到最小故障保護電壓為V AB(min) = –10 mV + 50 mV = 40 mV 。 更加現代的第三代收發(fā)器Z可以在沒(méi)有故障保護偏置的情況下維持穩定的輸出。它的正輸入閾值為–20 mV，規定最小遲滯為50 mV，允許最大峰到峰噪聲電平為140 mV ，這幾乎3倍于使用外部偏置的傳統器件的抗噪性能。 如果無(wú)法使用一些現代收發(fā)器，則后面內容介紹的一些計u-算方法可用于對傳統收發(fā)器要求的故障保護偏置網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行優(yōu)化。 傳統收發(fā)器的故障保護偏置 圖2顯示了一條端接RS-485 總線(xiàn)及其分布式網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，以及由兩個(gè)偏置電阻器（RFS）和一個(gè)終端電阻器（RT1）組成的故障保護偏置網(wǎng)絡(luò )。對于大多數作為主/從系統的RS-485應用來(lái)說(shuō)，故障保護偏置網(wǎng)絡(luò )常常安裝于總線(xiàn)的主端，而另一個(gè)線(xiàn)纜端接收匹配典型線(xiàn)路阻抗（Z0）的終端電阻器（RT2）。
故障保護偏置的主要缺點(diǎn)是其共模負載。共模負載是信號導線(xiàn)和本地收發(fā)器接地之間的電阻。收發(fā)器具有高共模負載，主要是因為接收機的輸入電壓分壓器（圖3）把輸入信號降低了9倍以上。
內部電阻器網(wǎng)絡(luò )在每個(gè)A和B總線(xiàn)端施加一個(gè)共模負載，其可表示為組合輸入電阻（RIN）。那么，可以通過(guò)A和B線(xiàn)路的等效輸入電阻（RINEQ）表示整個(gè)收發(fā)器網(wǎng)絡(luò )的總共模電阻。RS-485 標準規定每條總線(xiàn)的最大共模負載為375。初始，該值僅分配給總線(xiàn)收發(fā)器。實(shí)現一個(gè)故障保護偏置網(wǎng)絡(luò )會(huì )消耗大量的這種負載，因此僅允許少數收發(fā)器連接至總線(xiàn)。
圖4顯示了一條RS-485 總線(xiàn)的集中等效電路�？筛鶕幎ü收媳Ｗo總線(xiàn)電壓（VAB）、電源電壓（VS）、RFS 和RINEQ引起的共模負載以及特性線(xiàn)路阻抗（Z0），來(lái)計算這種電路允許故障保護電阻器值。計算節點(diǎn)A和B 的電流，然后求解各自線(xiàn)壓（VA和VB）得到：
就節點(diǎn)A而言：
就節點(diǎn)B而言，考慮到兩個(gè)壓線(xiàn)之間的差異，并確保故障保護偏置在最小電源條件以下，可計算得到要求的最小故障保護總線(xiàn)電壓：
由于RFS與RINEQ共同組成一條信號線(xiàn)的總共模負載，因此兩條信號線(xiàn)的并聯(lián)值不得超出375.的規定最大值，其可表示為：
在遠線(xiàn)纜端，終端電阻器（RT2）必須匹配特性線(xiàn)路阻抗（Z0）：
在偏置網(wǎng)絡(luò )處，RT1和兩個(gè)故障保護電阻器的并聯(lián)組合也必須匹配Z0：
插入方程式2、3和4到方程式1中，得到總線(xiàn)故障保護電壓：
求解方程式5的RFS，得到每個(gè)故障保護電阻器的值：
知道RFS以后，RT1可從方程式4得到。一旦故障保護網(wǎng)絡(luò )建立起來(lái)，可連接至總線(xiàn)的最大收發(fā)器數量可通過(guò)如下方法得到：
其中，ULXCVR 為收發(fā)器的額定單位負載（UL）。典型設計過(guò)程是，首先通過(guò)方程式6計算RFS，然后再通過(guò)方程式4計算RT1，并使RT2=Z0。最后，方程式7可用于計算可能的總收發(fā)器最大數目。 表2所示設計舉例描述了這種典型的設計過(guò)程。該表還突出顯示了使用1-UL 、5V收發(fā)器（X）網(wǎng)絡(luò )與使用1. 8-UL、3.3V收發(fā)器（Y）網(wǎng)絡(luò )之間的故障保護偏置差異。 表2 故障保護偏置影響總線(xiàn)收發(fā)器數目舉例
結論 第一代收發(fā)器要求的高故障保護電壓故障保護偏置導致大共模負載，并且必須減少總線(xiàn)收發(fā)器數目。使用更小輸入敏感度和更低單位負載的第二代收發(fā)器，可通過(guò)兼顧高收發(fā)器數目來(lái)提高低噪聲電平下的性能。但是，兩全其美的辦法是現在的第三代收發(fā)器，例如：TI的3V SN65HVD7x系列和5V SN65HVD8x系列。這些新型收發(fā)器擁有如下優(yōu)點(diǎn)： ·它們不要求使用外部偏置電阻器網(wǎng)絡(luò )（會(huì )給總線(xiàn)帶來(lái)大共模負載），從而減少了連接總線(xiàn)的收發(fā)器數目。 ·它們最大允許一條總線(xiàn)上256個(gè)收發(fā)器。 ·它們可承受高噪聲電平。 ·它們對12kV IEC ESD 和4kV IEC 脈沖瞬態(tài)有很強的抵抗能力 ·它們比傳統收發(fā)器更便宜，并且有些使用更小的封裝，實(shí)現成本和空間節省。 ·設計人員不必花費時(shí)間研究數學(xué)計算難題，例如：本文中介紹的數學(xué)計算方法。 |
