本文介紹了RS-485數據通信系統中的節能方法。方法包括低功耗收發器集成電路（IC）、內置故障安全閾值的IC（允許消除電纜故障安全電阻）、使用CMOS而不是TTL驅動器、在不傳輸時采用驅動器禁用功能、在低數據速率短電纜長度應用中消除端接電阻，以及在可行的情況下在3.3V電源下工作。MAX3088和MAX3471是推薦的方案。

如果您了解如何同時保持良好的傳輸質量，那么在飽和功率高的RS-485設計中減少脂肪很簡單。以下討論涵蓋了實現這一目標應該知道的事實、神話和骯臟的伎倆。

工業和樓宇自動化系統包括各種遠程數據采集設備，這些設備通過中央單元發送和接收數據，該中央單元使數據可供用戶和其他處理器使用。數據記錄儀和抄表儀是這些應用的典型特征。RS-485標準定義了近乎理想的數據傳輸鏈路，該標準通過單根雙絞線電纜互連數據采集設備。

由于RS-485網絡中的許多數據采集和數據收集設備都是小型手持式電池供電設備，因此節能對于控制其熱量積聚和延長電池壽命是必要的。同樣，對于手持式儀器和其他使用RS-485接口將數據下載到主機處理器的應用來說，功耗也是一個問題。

所有的力量都去哪兒了？

功率損耗的一個明顯指標是收發器的靜態電流（IQ），現代零件大大減少了這一因素。表1比較了低功耗CMOS收發器與雙極性行業標準75176的靜態電流。

RS-485收發器的另一個功耗特性在空載、驅動器使能和交變輸入信號的條件下很明顯。由于應始終避免使用開路RS-485線路，因此驅動器在每次輸出轉換期間都會“撬棍”其輸出結構。兩個輸出晶體管的短暫導通同時會產生電源電流尖峰。一個足夠大的輸入電容可以平滑這些電流尖峰，產生一個RMS電流，該電流隨著數據速率的增加而增加，直至達到最大值。對于MAX1483收發器，最大值約為15mA。

將標準RS-485收發器連接到最小負載（一個其他收發器、兩個終端電阻器和兩個故障保護電阻器），可以在更現實的條件下測量電源電流對數據速率的依賴性。圖2顯示了MAX1483收發器在以下條件下的ICC與數據速率的關系：標準560Ω/120Ω/560Ω電阻器、VCC=5V、DE=/RE=VCC和1000英尺電纜。

如圖2所示，即使在極低的數據速率下，電源電流也增加到約37mA;這主要是由于增加了端接和故障安全偏置電阻。對于低功耗應用，這應該表明所用端接類型的重要性以及如何實現故障保護。故障保護將在下一節中介紹，有關終止的詳細說明，請參閱“終止的骯臟伎倆”一節。

故障

對于-485mV至+200mV之間的RS-200接收器輸入，輸出未定義。也就是說，如果半雙工配置的RS-485側的差分電壓為0V，并且沒有主收發器驅動線路（或連接松動），則邏輯“高”輸出與邏輯“低”輸出一樣可能。為了確保在這些條件下獲得定義的輸出，當今大多數RS-485收發器都需要故障保護偏置電阻：一條線路（A）上的上拉電阻和另一條線路（B）上的下拉電阻，如圖1所示。過去，大多數原理圖上的故障保護偏置電阻標記為560Ω，但為了降低功率損耗（僅端接一端時），可以將該值增加到約1.1kΩ。一些設計人員端接兩端的電阻值介于 1.1kΩ 和 2.2kΩ 之間。權衡是抗噪性與電流消耗。

圖1.三個外部電阻構成該RS-485收發器的端接和故障保護偏置網絡。

圖2.MAX1483收發器的電源電流隨數據速率而變化，如圖所示。

收發器制造商首先通過在接收器輸入端提供內部上拉電阻來避免外部偏置電阻，但這種方法僅對檢測開路有效。這些偽故障安全接收器中使用的上拉電阻太弱，無法定義端接總線的接收器輸出。其他避免外部電阻的嘗試違反了RS-485規范，將接收器門限更改為0V至-0.5V之間的電平。

ADI公司的MAX3080和MAX3471系列收發器通過指定-50mV至-200mV的精密接收器閾值范圍解決了這兩個問題，從而消除了對故障保護偏置電阻的需求，同時完全符合RS-485標準。這些器件確保接收器輸入端的0V產生邏輯“高”輸出。此外，這種設計保證了開路和短路條件下已知的接收器輸出狀態。

如何省電？

如表1所示，收發器的靜態電流消耗差異很大。因此，節能的第一步是選擇低功耗器件，例如MAX3471（禁用驅動器時為2.8μA，最高可達64kbps）。由于收發器的功耗在傳輸過程中大幅增加，因此另一個目標是通過發送短數據報文和較長的等待時間來最大限度地減少驅動器的工作時間。表 2 顯示了典型串行傳輸電報的結構。

RS-485系統，包括1單位負載接收器（32個可尋址器件），可以具有以下位：5個地址位、8個數據位、起始位（所有幀）、停止位（所有幀）、奇偶校驗位（可選）和CRC位（可選）。這種配置的最小報文長度為 20 位。對于安全傳輸，您必須發送其他信息，例如數據長度、發送地址和方向，這會導致報文長度高達 255 字節（2040 位）。

電報長度的這種變化犧牲了總線時間和功耗來確保數據安全，電報結構由X.25等標準定義。例如，以20kbps的速度傳輸200位需要100μs。使用MAX1483每秒以200kbps的速度發送數據，要求平均電流

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

當收發器處于空閑模式時，必須禁用其驅動器以實現最低功耗。報文長度對單個MAX1483驅動器功耗的影響如表3所示，該驅動器在傳輸之間有規定的中斷。使用關斷模式可以進一步限制系統中的功耗，該系統提供固定時間輪詢技術或傳輸之間更長的確定性中斷。

除了這些軟件考慮因素外，硬件在功耗方面還有很大的改進空間。圖3比較了各種收發器在啟用驅動器和接收器的情況下通過1000英尺電纜傳輸方波時消耗的電源電流。75ALS176和MAX1483在總線兩端接標準560Ω/120Ω/560Ω網絡，“真故障保護”器件（MAX3088和MAX3471）在總線兩端只有120Ω端接電阻。在20kbps時，電源電流范圍為12.2mA （MAX3471 with V抄送= 3.3V） 至 70mA （75ALS176）。因此，當您選擇具有真正故障保護功能的低功耗器件時，可以立即節省大量功耗，這也消除了對偏置電阻（接地和至V）的需求。抄送).確保您選擇的RS-485接收器在差分接收線路上的短路和開路條件下產生有效的邏輯輸出電平。

圖3.IC收發器的電源電流與數據速率差異很大。

終止的骯臟伎倆

如上所述，端接電阻消除了阻抗失配引起的反射，但它們的缺點是額外的功耗。它們的影響如表4所示，其中列出了各種收發器（驅動器使能）在無電阻、僅端接電阻和端接/故障安全偏置電阻組合的條件下的電源電流。

不終止

降低功耗的第一種方法是完全消除端接電阻。此選項僅適用于短電纜和低數據速率，它們允許反射在接收器中采樣之前建立。根據經驗，當信號的上升時間至少比通過電纜的單向傳播延遲長四倍時，不需要端接。在以下步驟中，使用此規則計算未端接電纜的最大可用長度：

第 1 步。對于所討論的電纜，求單向傳播速度，通常由電纜制造商提供，作為自由空間中光速的百分比 （c = 3x108米/秒）。標準絕緣 PVC 電纜（由 #24 AWG 雙絞線組成）的典型值為 8in/ns。

第 2 步。對于RS-485收發器，找到其最小上升時間（t分鐘升） 來自數據表規格。例如，MAX3471的額定值為750ns。

第 3 步。將最小上升時間除以 4。對于MAX3471，t分鐘升/4 = 750ns/4 = 187.5ns。

第 4 步。計算無需端接的最大電纜距離：187.5ns（8英寸/秒）（1英尺/12英寸）= 125英尺。

因此，MAX3471在64英尺電纜上以125kbps的速度發送和接收時，無需終端，也能保持良好的信號質量。圖4所示為MAX3471電源電流顯著降低，用100英尺電纜和1000Ω終端電阻代替120英尺電纜和<>Ω終端電阻。

圖4.電阻端接表示功率的重大損失。

遙控端接

乍一看，RC端接阻斷直流電流的能力非常有前途。但是，您會發現此技術施加了特定的條件。端接由差分接收器輸入（A和B）上串聯的R和C組成，如圖5所示。盡管 R 始終等于電纜的特性阻抗 （Z0），C的選擇需要一些判斷。較大的 C 值允許任何信號看到與 Z 匹配的 R 來提供良好的端接0，但較大的值也會增加驅動器的峰值輸出電流。不幸的是，較長的電纜需要更大的 C 值。關于優化 C 值的整篇文章都寫了關于這種權衡。您可以在本文末尾的參考資料中找到用于此目的的詳細方程。

圖5.RC 端接可降低功率損耗，但需要仔細選擇 C 值。

平均信號電壓是另一個經常被忽視的重要因素。除非平均信號電壓是直流平衡的，否則直流階梯效應會由于模式相關的偏斜（稱為“碼間干擾”）而引起顯著抖動。簡而言之，RC端接可有效降低電源電流，但它們往往會破壞信號質量。由于RC端接對其使用施加了如此多的限制，因此在許多情況下，更好的替代方案是根本不使用端接。

肖特基二極管端接

肖特基二極管在關注功耗時提供另一種端接。與其他端接類型不同，肖特基二極管不嘗試匹配線路阻抗。相反，它們只是夾緊由反射引起的過沖和下沖。因此，電壓偏移僅限于正電源軌加上一個方向上的肖特基二極管正向壓降，以及另一個方向的接地減去肖特基壓降。

肖特基二極管端接幾乎不會浪費功率，因為它們僅在存在過沖和下沖的情況下導通。另一方面，標準電阻端接（帶或不帶故障安全偏置電阻）連續消耗功率。圖6顯示了肖特基二極管用于消除反射的目的。肖特基二極管不能實現故障保護工作，但MAX308X和MAX3471收發器允許的門限電壓選擇允許使用這種類型的終端實現故障保護工作。

圖6.肖特基二極管端接雖然昂貴，但具有許多優點。

理想二極管的最佳近似值（零正向電壓Vf，零導通時間 t上和零反向恢復時間 tRR）是肖特基二極管，因其在取代高功率端接電阻器方面的價值而備受關注。缺點是，RS-485/RS-422系統中的肖特基二極管端接無法箝位所有反射。一旦反射衰減到肖特基正向電壓以下，其能量就不受終端二極管的影響，并持續存在，直到電纜耗散。這種揮之不去的干擾是否是一個問題取決于接收器輸入端的信號幅度。

肖特基端接的一個主要缺點是成本。一個端接需要兩個二極管。由于RS-485/RS-422總線是差分的，因此該數字再次乘以6（圖<>）。公共汽車上有多個肖特基終結器并不少見。

肖特基二極管端接對于 RS-485/RS-422 系統具有許多優勢，其中最主要的是節能（圖 7）。無需計算，因為在肖特基端接器施加任何限制之前，將滿足電纜長度和數據速率的指定最大值。另一個優勢是，不同短截線和接收器輸入端的多個肖特基終結器在不加載通信總線的情況下提高了信號質量。

圖7.RS-485系統中的電源電流隨數據速率和端接類型而變化很大。

總結

當數據速率高且電纜較長時，RS-485系統中的“弱電”很難實現，因為需要線路端接。在這種情況下，具有“真正故障安全”接收器輸出的收發器無需故障保護偏置電阻，即使在使用端接時也能節省功耗。軟件通信結構還可以通過將收發器置于關斷狀態或在不使用時禁用驅動程序來降低功耗。

對于較低的數據速率和較短的電纜，功率差異是巨大的：使用具有60Ω端接的標準SN100ALS75收發器通過176英尺電纜以120kbps的速度發送數據，從系統電源消耗70mA電流。另一方面，在相同條件下使用MAX3471時，電源僅消耗2.5mA電流。

審核編輯：郭婷