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作者：德州儀器 您是否希望學習 RS-485 收發器的設計教程？本文基于 TI E2E™ 社區中的常見問題提供了一些解答，對于任何希望詳細了解此通信標準的人來說都是非常有用的資源。 有關隔離式 RS-485 收發器的具體信息，請參閱技術文章“有疑問？TI幫你匯總隔離型RS-485收發器的七大設計問題”。 1.何時需要 RS-485 總線端接，如何正確進行端接？ RS-485 總線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題。“端接”是指將電纜的特性阻抗與端接網絡相匹配，使總線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將出現失配的情況，從而在網絡末端產生反射，導致整體信號完整性降低。 在網絡的雙向環路時間遠大于信號位時間時，不需要端接，因為每次反射到達網絡末端時，它們都會損失能量。但是對于信號位時間并不明顯長于電纜環路時間的應用，為了盡量減少反射，端接至關重要。 最基本的端接稱為并聯端接，由單個電阻組成，如圖 1 所示。RS-485 標準要求標稱特性阻抗為 120Ω，因此端接電阻的默認阻值應為 RT = 120Ω。您可參閱文章“RS-485 基礎知識：何時需要端接，以及如何正確端接”。 
圖 1：具有并聯端接的 RS-485 總線 THVD1424 收發器是一款靈活的 RS-485 收發器，在驅動器和接收器總線引腳之間集成了 120Ω 端接電阻。端接電阻可以通過專用引腳 TERM_TX 和 TERM_RX 打開或關閉，從而支持系統設計人員靈活地將該收發器用于半雙工或全雙工網絡的所有節點位置（中間節點或末端節點）。 更多有關此主題和器件特性的信息，請參閱技術白皮書“使用靈活的 RS-485 收發器減少系統設計時間和成本”。 2.什么是失效防護偏置，如何實現？ 失效防護偏置機制可確保 RS-485 接收器不會因差分輸入電壓而處于不確定狀態。電子工業協會 (EIA)-485 標準規定，當差分電壓 ≥+200mV 時，RS-485 的輸入閾值為邏輯高電平；當差分電壓 ≤-200mV 時，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。 可通過兩種方式實現失效防護偏置： • 選擇具有接收器內置失效防護輸入閾值的收發器。 • 添加外部電阻，從而在總線空閑時產生外部偏置。 兩種方法都可以確保總線處于邏輯高電平狀態。請參閱技術文章“RS-485 基礎知識：失效防護偏置網絡的兩種方法”。 3.如何計算 RS-485 總線上的最大節點數？ RS-485 是一種多點差分總線，因此總線上的所有節點共用一個傳輸介質。隨著節點總數的增加，每個驅動器上的負載也會增加。 電信行業協會 (TIA)/EIA-485 標準規定了一個假設的單位負載 (UL)，用于幫助計算 RS-485 總線上的最大節點數。該標準規定，驅動器必須能夠在最多 32 個單位負載上驅動至少 1.5V 的差分信號，并在總線兩端并聯兩個 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。確定節點的輸入電阻后，您可以使用公式 2 計算 RS-485 總線上的最大節點數： Input Resistance = Max (VIN/Ileakage) (1) No. of Nodes = 32/Input Resistance (2) 4.何時需要在節點之間添加地線？ 設計遠程數據鏈路時，您必須假定存在一些接地電勢差。這些電壓使發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) 超過接收器的共模范圍時（在較長電纜和大電流負載下經常發生），將需要使用適當的接地技術。
圖 2：遠程節點配置：單獨接地 (a)；直接連接遠程接地 (b)；器件地和局部系統地分開 (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。對裝置的任何變動（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在將來停止運行。 也不建議通過地線直接進行遠程接地（圖 2b），因為直接連接會導致大接地環路電流以共模噪聲的形式耦合到數據線路。 為了實現遠程接地的直接連接，RS-485 標準建議通過插入電阻器將器件地與局部系統地分開（圖 2c）。盡管這種方法可減少環路電流，但是大接地環路的存在會使數據鏈路對環路某個位置產生的噪聲敏感。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，理想方法是將總線收發器的信號和電源線與其本地信號和電源進行電隔離。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，并避免產生電流環路。 5.RS-485 的長度和速度建議值是什么？ 在給定數據速率下，最大總線長度受到傳輸線損耗和信號抖動的限制。由于波特周期內具有 10% 或以上的抖動，數據可靠性會急劇下降。圖 3 顯示了傳統 RS-485 電纜在 10% 信號抖動下的電纜長度與數據速率的特性曲線。
圖 3：電纜長度與數據速率建議 在圖 3 中，標記為編號 1 的圓圈代表在短電纜長度下的高數據速率區域。在這里，傳輸線路的損耗可以忽略不計；數據速率主要由驅動器的上升時間決定。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 區域是從短數據線路到長數據線路的過渡。較長傳輸線路的損耗必須考慮在內。因此，隨著電纜長度的增加，數據速率必須降低。根據經驗，線路長度 [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，電纜串聯電阻和線路末端端接之間的相互作用導致信號衰減。在某個時刻，信號幅度小于接收器可以正確檢測到的幅度（即，不超過 VIT 閾值）。 THVD1424 收發器具有 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部分。當器件在沒有外部負載的情況下上電時，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，該器件會提供驅動負載的功率。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 PDic 是器件消耗的功率。對于低數據速率，功率損耗主要來自阻性負載（紅色跡線）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）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，首先必須計算各個部分消耗的功率。公式 4 計算器件功率損耗，其中靜態電源電流 Icc 在數據表中指定： PDic = Vcc*Icc (4) 如果總線上放置了阻性負載，驅動器會在阻性負載上產生電壓 (Vod)，如公式 5 和 6 所示，其中 C 是寄生電容，包括收發器電容、負載電容和引線電容。計算中也會用到數據頻率 f。 PDdc = Vcc*I – I2*R = (Vcc – I*R)*I (5) PDac = 2*2C*f*Vcc*Vod (6) 請參閱文章“如何計算高速 RS-485 收發器的功率損耗”。 7.如何保護 RS-485 接口免受靜電放電 (ESD) 的影響？ ESD 保護可分為幾種類型，包括人體放電模型、國際電工委員會 (IEC) 接觸放電和 IEC 氣隙放電。如果收發器集成了 IEC ESD 保護（例如 TI 的 THVD1450 或 THVD1500），則無需外部元件來保護 RS-485 接口免受收發器指定級別 ESD 影響。 例如，無需任何外部元件，THVD1450 即可提供 18kV IEC 61000-4-2 接觸放電保護。然而，市場上的許多器件沒有集成這種保護功能，所以會需要外部瞬態電壓抑制 (TVS) 二極管。請參閱文章 “如何根據額定電壓為 RS-232、RS-485 和 CAN 選擇 TVS 二極管”。 8.如何判斷是否需要外部 TVS 二極管？ 工業網絡必須在惡劣環境中可靠運行。由 ESD、感性負載切換或雷擊引起的電過應力瞬態會破壞數據傳輸并損壞總線收發器，除非采取有效措施來減少瞬態影響。 TI 器件已根據以下標準進行了測試： • ESD 抗擾度測試 IEC 61000-4-2，這項測試會模擬操作員直接向相鄰電子元件進行靜電放電。THVD1500 和 THVD1450 經測試符合此項標準。 • 電氣快速瞬變 (EFT) 或突發抗擾度測試 IEC 61000-4-4，這項測試會模擬由感性負載中斷、繼電器觸點跳動等引起的日常開關瞬態。THVD1450 和 THVD1550 經測試符合此項標準。 • 浪涌抗擾度測試 IEC 61000-4-5 是涉及電流和持續時間的非常嚴格的瞬態抗擾度測試，比 ESD 和 EFT 測試時間長約 1,000 倍。THVD1429 和 THVD1419 經測試符合此項標準。 TI 的 THVD 系列全新 RS-485 收發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.如何在發生較高電壓的短路時提供保護？ 在許多 RS-485 應用中，通信線路可能會意外連接到電源線上，尤其是在 HVAC 系統、照明控制或其他樓宇自動化應用等現場安裝的系統中。在這些情況下，必須確保 RS-485 收發器不會發生損壞，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事件期間收發器所承受的最大電壓，但通常無法對持續時間較長的應力（例如直流短路）提供保護。這時，需要某種串聯限流元件。一種典型的方法是使用正溫度系數 (PTC) 電阻器，這種電阻器在標稱條件下具有低阻值，但在有大電流通過的故障條件下（例如，流入 TVS 等鉗位器件），電阻就會變大。在 TI 參考設計“保護 RS-485 收發器免受持續高電壓/電過應力影響的參考設計”中，可以看到使用 THVD1500 收發器的實現示例。 但是，使用這些額外的串聯限流和并聯電壓鉗位器件可能成本很高，并且會占用寶貴的 PCB 空間。因此，大多數情況下的更優方法是使用能夠承受這些高故障電壓而無需外部保護的收發器。THVD2450 就是一個例子，它可承受高達 +/- 70V 的直流短路。 如您還有其他問題，歡迎在E2E論壇評論區告訴我們，我們將予以回復以幫助您應對 RS-485 設計挑戰。 |
