虽然RS-485的使用已有一些时日,但因其信令、电压水平及实现的简单性, 迄今它仍是一种可用的网络技术。工业传感器也因为这些原因仍然在使用这种接口。由于RS-485不是最近出现的标准,很多工程师都选择使用现成的方案,这些方案并未针对具体应用进行优化,达不到人们期望的性能要求。结果,所用的部件超过实际所需的尺寸,如功耗更高的终端电阻,使EMI问题更加严重。本文所讨论的几个关键因素,可以帮助工程师迅速而精准地选对正确的方案。有关这个主题已经有许多著名的白皮书。本文补充了一些遗漏的细节,并提出了可增强设计性能的简单技巧。

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图1:基本RS-485拓扑

电磁干扰问题

有三种基本工具可以帮助设计师管理电磁干扰(屏蔽技术将在文章的最后单独说明)。

1.器件速度 2.收发器工作电压 3.端接电阻电流

速度

使用的波特率不要超过实际应用的要求,包括收发器的速度。收发器有不同的速度选项,它们会影响信号的上升/下降时间。举例来说,许多RS-485链路的速度在1Mbps以下,因此像TI的SN75HVD12DR这样的器件就是一种好的选择。对于128kbps速度的链路来说,速度低一些的Intersil器件就足够。

这些器件上升时间较慢(例如100ns), 但对这些应用来说已经足够,可以最大程度地减少电磁干扰辐 射。因为响应速度较慢,也降低了对附近噪声源的敏感度。请仔细阅读收发器的规范说明,因为许多标准器件将运行在10Mbps或更快的速度下,比这些链路通常所需的速度快得多。

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表1:RS-485收发器及其速度举例

电压

电磁干扰幅度与任意信号的电压摆幅成正比,因此减小电压摆幅可以减小因连接而产生的电磁干扰。许多较新器件的额定工作电压是3.3V,可以满足RS-485信号标准的最低要求。在今天的许多系统设计中,3.3V要比5V更常用。如果使用更低的电压,我们需要放弃什么?在这个电压下,器件的速度和抗噪声能力可能会下降。但如果器件的额定速度满足要求,并且使用了屏蔽措施,那么3.3V的RS-485信号通常足够。需要重申的是,是否需要考虑所有相关条件并查阅数据手册,取决于设计师。为了抵抗浪涌,要在收发器输入端增加一个电容以避免出现信号劣化,除非计算出来的频率响应是信号速率(1/2波特率)的5-10倍。

RS-485的工作电压范围很宽,从200mV接收阈值到10V最大差分信号。2V峰-峰值通常是推荐的最小驱动电平,3.3V器件满足这个条件,同时又能很好地与5V供电器件连接, 因而能提供合理的信噪比, 特别是对较短距离的通信来说。记住,如果你需要高速(5MHz以上),那么你可能需要5V电源,请查阅相关的数据手册。

电流

电磁干扰问题本质上就是磁性问题,因此流经端接电阻的电流被认为是引起电磁干扰的一个因素。磁性干扰比较难控制,因为铜的相对磁导率大约为1,不管附近是否有屏蔽都可能引起干扰电路的耦合。较低的瞬态电流可以减少磁性特征,最大限度地减小与邻近其它电路的耦合。

我们如何做到这点呢?难道端接电阻值不是固定的吗?是的,只要线缆的“电长”相对于信号边沿速率来 说足够,它就不是固定的。没有规定说不能为了工程上的其它理由而增加这个值。若关心的主要问题是敏感度而不是辐射,这个终端电阻的阻值就越小越好。不过仍然需要进行折衷,如同其它所有工程设计那样。比较5V/120Ω系统和3.3V/499Ω系统就能发现,电流可以减小至1/6。

终端电阻

大多数人最初知道的电阻默认值是120Ω,分别跨接在网络远端的(+)和(-)数据端子上。但120Ω并不总是最好的选择,选用这个原始终端原本就是为了匹配商用双绞线阻抗。不管什么样的应用,即使短距离应用,也不要考虑不接终端电阻,因为它能提供很好的抗噪声能力。需要端接的理由有两个:

电缆的“ 电长” 足够, 能满足2·tp≥tr/5,其中tp是信号沿电缆单向传输的时间,tr是来自指定驱动器 的信号上升时间(10%-90%;请参考后面根据速度因子计算的信号传输时间)。如果电缆的“电长”不够,那么在调整终端(Rt)值时就可以更加灵活。这是选用慢速驱动器来满足应用要求的另一个理由。

*敏感度: *如果没有任何端接,SN75HVD12DR的接收器输入阻抗(单端)估计在109kΩ左右(基于最大输 入电流指标和引脚上的12V电压)。这么高的输入阻抗很容易受到PCB或电缆内邻近信号的串扰(如果屏蔽层内的电缆超过一对)。通过并联端接电阻可以降低这个阻抗值,最大程度地减小串扰,但代价是功耗会增大。建议做适当的折衷,永远不要放弃“免费的”抗噪声性能,一定要包含一定数值的终端。

优化端接电阻

需要回答的第一个问题是: 电缆的“电长”够吗?然后我们就能确定是否需要将电阻Rt与电缆阻抗匹配。回答这个问题可以从上面的等式2·tp≥tr/5开始。

加入前面驱动器的上升时间可以得到2·tp≥100ns/5,这样就得到了最大10ns的信号传输时间tp。这意味着从驱动器到对端电缆末端所需时间不到10ns(在到达第一个端接电阻之前)。接下来根据电缆电介质(及其速度因子)计算如何将这个要求转换为电缆长度。速度因子是信号沿着导体/电介质传播的速度与光在真空中传播速度之比。

VF(速度因子)=1/√εr (εr=相对介电常数或介电常数;例如,聚乙稀,εr=2.25)

因此速度=c·VF或c/√εr

例子:百通公司规定#9841电缆的速度因子为66%(绝缘体是聚乙稀,由上述公式计算得到66.6%)。如果没有规定VF,可以查找介电材料,然后用上述公式计算。

先计算电缆的最大长度(使用上面的100ns驱动器和10ns最大tp),然后找出与电缆阻抗匹配的端接电阻:

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合并两个公式后简化为:

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或者采用纳秒和米作为单位:

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低功耗考虑

在这个例子中,长度小于1.98m(比如嵌入式应用机箱)的电缆不需要与之相配的端接电阻。那么如何选择Rt呢?可以不使用。然而如前所述,阻值较低的电阻可以减小敏感度。499Ω是一个好的起始值。对于5V信号,当电阻从120Ω变为499Ω时,每个电阻的静态功耗将从208mW下降到50mW。与无端接情况相比,这种做法有助于降低功耗和敏感度,从而实现鲁棒的通信链路。

对于非电池驱动的应用,我们为什么还要关心功耗呢?SMT元件在设计中已经变得非常小。一个0603 电阻的额定功率是100mW,若降额因数为50%,留给我们用的功率就只有50mW。499Ω的0603电阻满足要求,而208mW的原始设计需要1210尺寸的电阻。更高阻值的电阻有助于减小设计尺寸, 并使链路更加鲁棒。3.3V/499Ω信号则允许使用0402的端接电阻。

低功耗也意味着3.3V或5V电压轨可以不用电荷泵稳压器,这样可以减少器件数量,从而降低总成本。举例来说,凌力尔特公司的LTC3255可以采用4-48V直流输入,但输出限制为50mA。

管理共模电压

虽然RS-485是一种差分网络,但要想正确工作,必须满足有限共模(CM)电压限制要求。这意味着如果它们彼此呈悬浮态,则从一个节点到另一个节点需要一条地线。共模电压可能来自数字信号(使用二极管/电容),但一般来说它不抗噪。为了控制从一个模块到另一个模块的噪声,可以在地线上串联一个电 感。这样不仅可以通过任一根数据线控制直流共模电压,还能最大限度地减小射频回流。通常1μH的电感就可以提供很好的保护,因为它的阻抗在200MHz频率时超过1kΩ,但又不会因太高而干扰1Mbps或以下的通信。也可以采用共模扼流圈来提供额外的射频保护。

屏蔽

控制电磁干扰并不是说所有接地都悬浮于大地之上。一般来说,屏蔽层(如果用的话)的一端会连到末端的信号地或具有地线的节点,而屏蔽层的另一端则处于悬浮状态。在有可能发生严重磁性干扰的情况下,可能要求将屏蔽层的两端都接地。当电缆长度超过10m时,远端的屏蔽接地将被转换为“软地”(使用电容),以便通过屏蔽层(连接远程地)最大限度地减小低频干扰。使用电压源和寄生电容的噪声模型连接在相对地、导体和屏蔽层之间,这是一种明智的做法。图2中为基本的屏蔽构建了噪声模型。

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图2:基本屏蔽结构的噪声建模

总结

RS-485实现了能够对抗电磁干扰的简单网络,但在应用中必须理解各种选项,并运用合理的工程原理。在众多选项中, 不要简单地选用自己见过或用过的器件。市场上不断推出新器件,应综合考虑传输长度、器件速度、功耗要求以及将使用的电缆类型再做出选择。正确的选择有助于设计的最后成功。

《电子技术设计》2017年5月刊版权所有,谢绝转载。

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