RS-485收发器的总线电流要求与驱动能力

作者：Thomas Kugelstadt，德州仪器
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。







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 = 12 kΩ 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 +12 V 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。

60 Ω 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 = 12 kΩ / 32 = 375 Ω。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。





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 = 375 Ω 最大共模负载 (32 UL) 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 = 60 Ω 和 RCM = 375 Ω。






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 53 mA 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 60 mA 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 22 UL 的总负载，从而使得仅有 10 UL 可用于接收机输入。剩余的 10 UL，可以通过使用 10 x 1 UL 收发器或者至多 80 x 1/8 UL  收发器，来让其得到利用。
  

• 32 UL 最大负载的规定，针对 –7 V 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。





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 60 mA，并表明在更低共模电压下工作时可以增加 32 UL 规定共模负载。