RS-485网络设计降低功耗问题

    摘要：本文主要讨论在RS-485网络设计中，如何在保持良好的传输特性的同时降低功率损耗。

    关键词：RS-485、网络设计、低功耗

    RS-485网络的功率损耗

    RS-485网络中许多数据采集或收集器属于小型、手持式、电池供电设备，因此必须采取省电措施，以延长这些设备的电池寿命。静态电流（IQ）是反映收发器功率消耗大小的一个重要指标，新型RS-485收发器的IQ已减小许多。表1把工业标准的双极性收发器75176与各种低功耗、CMOS收发器的静态电流进行了对比。

    当一个标准的RS-485收发器外挂最小负载：一个RS-485收发器、两个匹配电阻、两个失效保护电阻时，就可以测量其电源电流随数据速率变化的关系曲线。图2为MAX1483的电源电流ICC与数据速率的关系，测试条件为：外接电阻560Ω/120Ω/560Ω（如图1所示），VCC=5V，DE=/RE=VCC，电缆长度100英尺。从图2可以看出：即使数据速率很低，电源电流也增大到将近37mA，这主要是由于引入了匹配电阻和失效保护电阻所致。下面将讨论采用不同的匹配方式及失效保护措施在低功耗应用中的重要性。


    失效保护

    众所周知，当RS-485接收器输入端电压介于-200mV～+200mV时，输出处于不确定状态。即：如果半双工结构RS-485收发器的差分输入电压为0V、而线上又无其它驱动器使能或由于连接不好导致输出开路，则该接收器既可能输出逻辑1也可能输出0，而且几率相同。为了保证在上述错误情况下输出一个确定值，大多数RS-485收发器都需要外接失效保护电阻：其中在线A接上拉电阻，线B接一下拉电阻，如图1所示。以往在大多数方案中，该失效保护电阻选取560Ω，不过为了减小功耗，有人将该失效保护电阻增大到将近1.1kΩ(当只需要一端匹配时)。部分设计工程师则采用1.1kΩ～2.2kΩ的电阻在电缆两端进行匹配，增大该电阻虽然减小了电流消耗，但却降低了系统抗干扰能力。为了避免采用外部偏置电阻，RS-485收发器生产厂商首先在芯片内部给接收器提供偏置电阻（上拉或下拉），不过它仅在检测输出开路时有效。对于终端匹配电缆，由于这类“伪”失效保护收发器内置的上拉电阻比匹配电阻大几个数量级，上拉效果很微弱，因此还是难以使接收器输出一个确定值。通常这种内置失效保护电阻的收发器仅对不需要终端匹配的电缆有效。因此其它一些厂商又试图把接收器门限范围变为0～-0.5V，但这违背了RS-485标准。MAXIM公司开发的MAX3080、MAX3471系列产品很好地解决了上述两个问题。这类收发器通过定义一个更精确的接收器门限范围：-50mV～+200mV，省去了偏置电阻，同时又不违背RS-485标准。当接收器输入0V电压时，它们保证输出逻辑“高”电平。进一步讲，当发生开路或短路情况时，这些接收器能够保证输出一种确定值。

    降低功率损耗的几种措施

    如表1所示，不同的收发器汲取的静态电流可能有很大差别，因此，省电设计首先应该选择低功耗器件，譬如MAX3471（当发送关闭时，仅消耗2.8μA电流，数据速率可达64kbps）。由于数据发送期间收发器的功耗增加，因此节省功耗的第二步就是通过软件实现短码发送数据，使收发器长时间处于接收状态，使发送占空比最短。典型的串行发送数据结构如表2所示。一个挂接单位负载（32个可寻址器件）的RS-485系统包含下列各位：5位地址位、8位数据位、起始位（全帧）、停止位（全帧）、奇偶校验位（可选择）、循环码校验位（CRC，可选择），因此其发送数据的最短长度为20位。然而，在实际应用中，基于信息发送的安全性考虑，还必须发送附加信息，诸如数据长度、发送地址、方向等等，结果使得码长可能增长到255个字节（即2040位）。

    通过增加码长可以增强数据发送安全性，但它却是以占用总线时间和消耗更多功率为代价。当以200kbps速率来传送20位的数据时，需要占用100(s的时间。如果采用MAX1483，以200kbps速率，每秒发送一次，则MAX1483消耗的平均电流为：

    (100μs*×53mA +(1s-100μs)×20(A)/1s = 25.3μA.

    当收发器处于空闲模式时，必须关闭它的驱动器以使功率消耗最低。表3以MAX1483为例给出了码长与RS-485接口电流消耗之间的关系。当然，对于采用定时循检技术或在两次发送期间有较长固定休眠时段的系统，可以通过关闭收发器进一步限制功率消耗。

    除了从软件方面考虑之外，硬件电路也为降低功耗提供了很大的余地。图3比较了当收发器使能、在1000英尺长的电缆发送方波信号时，各种不同的器件消耗电流的大小。其中75ALS176和MAX1483在总线每一端均采用标准的560Ω/120Ω/560Ω电阻匹配网络，而“失效保护”器件MAX3080和MAX3471在总线每端仅采用了一个120Ω的匹配电阻。由图可见，消耗的电源电流变化范围很大，选择具有失效保护功能的低功耗器件，可将功耗降低许多。

    终端电阻可以消除因阻抗不匹配而产生的反射干扰，不过其代价是消耗功率，为降低功耗，在匹配技巧方面可采取以下措施：

    1）、无终端电阻

    减小功耗的第一种办法就是取消终端匹配电阻。不过这种方案只适合短距离、低速率传输，保证在数据信号达到接收器之前反射信号消失。根据经验，如果信号的上升时间至少比信号在电缆通道单方向传输延迟时间长3倍，则可以采用不加终端电阻的方法。利用该准则，按照下列步骤，可以计算出不加终端匹配电阻时，电缆的最大长度。

    第一步：首先查找到信号在电缆中传输速率（通常由电缆厂商提供），该参数以光速（真空中，c=3×108）的百分比表示。对于标准的绝缘型PVC电缆（内部为24号AWG双绞线）其典型速率为8英寸/ns。

    第二步：对于RS-485收发器，从其产品资料查找出最小的上升时间（tr min）。例如，MAX3471的上升时间为750ns。

    第三步：将最小上升时间除以4。对于MAX3471，有：tr min/4=750/4=187.5ns。

    第四步：计算不需要采用匹配电阻时，能可靠传输信号的电缆最大长度：187.5ns/8英寸/ns=125英尺

    因此，MAX3471在125英尺无电阻匹配的电缆中以64kbps速率收发数据时，可以保持良好的传输性能。图4说明了当用100英尺长无电阻匹配电缆替换1000英尺长具有两个120Ω终端匹配电阻的电缆后，MAX3471的功耗大大减小。

    2）、肖特基二极管“匹配”

    当受到功耗限制时，肖特基二极管提供了另外一种终端连接方法。与前面介绍的方法不同的是，它并不打算与电缆线匹配，而是简单地把反射信号引起的过压或欠压信号进行钳位。其结果是，总线或接收器输入端电压信号被限制在VCC+VFD（二极管正向导通电压）或GND-VFD范围内。由于肖特基二极管仅在电压过冲时起作用，因此它们消耗很少一点能量。相反，采用电阻匹配时（无论加不加失效保护电阻）都一直在消耗电流。图5为利用肖特基二极管消除反射的连接方式。虽然该终端连接法不具有失效保护功能，但如果选用了如MAX3080、MAX3471这类收发器可以实现上述功能。

    在众多类型的二极管中，肖特基二极管特性最接近理想二极管，但是，肖特基二基管“匹配”法并不能消除RS-485/422系统中所有的反射信号。因为一旦反射信号减弱到低于二极管正向导通电压，其能量就不再受终端二极管的影响，且会一直在电缆中存在，直到其能量被电缆消耗尽为止。采用肖特基二极管终端连接法的另一个缺陷是成本问题。由于每根终端线需要两个二极管，而RS-485/422总线采用差动方式，因此需要的二极管数目还要再加倍，使系统成本提高。

    结语

    在高速、长距离通讯的RS-485系统中，由于需要终端匹配电阻，因此很难实现低功耗。如果采用具有“失效保护”功能的收发器，可节省功耗；另外依靠软件对数据通讯结构优化，让发送器在数据发送完毕之后进入关闭模式或关闭驱动器能进一步减小功率消耗。