多点总线传输线隔离系统中收发器应用技术
2009-11-13 09:50:15
来源：《半导体器件应用》2009年11月刊
引言
半双工、双向数据通信通常要求传输线两端特性阻抗与终端应严格匹配，否则将会产生信号反射、高共模电压、传导噪声以及环路接地等问题。为了解决这些问题，设计时必须对总线上的不同节点进行电气隔离。为此，本文介绍了收发器MAXl3412E的基本结构，给出了基于MAXl3412E的多点总线传输线隔离系统的实现方法。该系统设计充分利用了MAXl3412E的有限摆率特性，从而使系统电路结构变得相对简单，而且运行稳定。
1 MAXl3412E简介
1.1 MAXl3412E的内部结构
MAXl3412E是MAXIM公司生产的一款半双工且与Rs-485/RS-422兼容的收发器，主要应用在传输线隔离电路中。MAXl3412E中包含了一个内部低压差稳压器(LDO)、一路驱动器和一路接收器。MAXl3412E提供有8引脚SO封装，并具有裸焊盘，因而有助于改善散热，能够工作于一40℃~+85℃的扩展级温度范围，MAXl3412E的外部引脚排列及内部功能结构如图1所示。
MAXl3412E的内部LDO可以产生一路5v±10％的电源电压，以便为内部电路供电，同时允许器件采用高达28V的非稳压电源供电。MAXl34121E将LDO输出提供给VREG输出端，并允许为其他外部电路供电，而无需额外的外部稳压器。VREG输出可以提供高达20mA的电流。
MAXl3412E具有1/8单位负载的接收器输入阻抗，允许在一条总线上挂接多达256个收发器，而且所有驱动器输出都提供人体模型的ESD保护。此外，MAXl3412E还包括失效保护电路，可在接收器输入开路或短路时确保输出逻辑为高电平。而当挂接在总线上的所有发送器均被禁止（高阻态）时，接收器也输出逻辑高电平。
MAXl3412E具有Maxim专有的AutoDlrectlon控制结构，该结构省去了DE和控制信号。这可在隔离应用中减少光电耦合器的需求，从而降低系统成本和尺寸。
MAXl3412E提供有可降低摆率的驱动器，故可大大减小EMI和不恰当的电缆端接所引起的反射，从而实现500kbps的无误码数据传输。
MAXl3412E的其它功能还包括失效保护电路、增强ESD保护、电压摆率限制以及可全速运行等。
1.2 引脚功能
MAXl3412E的引脚功能描述如表1所列。
2 MAXl3412E的主要功能说明
2.1 AutoDirection控制
MAXl3412E中的AutoDirection电路能够使器件驱动信号的数量最少，因而非常适合对成本要求苛刻的隔离系统。在典型的隔离系统中，每路跨越隔离栅的控制信号都需要一个光耦。这些光耦会增加系统的成本、尺寸和功耗。没有AutoDirectlon电路时，每个收发器都需要3~4个光耦，而利用AutoDirection电路可以使光耦减少至2个。MAXl3412E在典型的RS-485收发器控制侧具有4路信号，分别为RO（接收器输出）、RE（接收器使能）、DE（驱动器使能）、DI（驱动器输入）。在某些情况下，DE和RE可以连接在一起将控制信号减少至3路。在半双工系统中，RE和DE信号可决定器件的发送或接收状态。当器件处于接收时，发送器为高阻态。而在完全兼容的RS_485系统中，这需要3路或4路信号。但是，经过精心设计并配合AutoDirection功能，与RS-485标准兼容的系统控制信号可以减少到只需要RO和DI。然而，该功能假设在MAXl3412E的接收器电路工作时，DI输入的空闲状态为高电平，但这需要在A线添加一个外部上拉电阻，B线添加一个外部下拉电阻。
2.2 上拉电阻和下技电阻
对于MAXl3412E来说，为保证正常工作。A、B线上必须添加上拉和下拉电阻，但电阻值要求并不严格。上拉和下拉电阻的功能是在所有发送器因关断状态AutoDirection)而处于高阻态时，保能够持总线为高电平(A-B>200mV)。确定这些电阻的最佳值取决于很多因素，如端接电阻、噪声、总线接收器的数量等。合理选择这些电阻，能够确保在任何条件下为所有总线接收器提供(A-B)>200mv电压信号。
2.3 空闲状态
没有数据传输时，MAXl3412E要求DI输人驱动至高电平，并保持闲置状态。传统的RS-485收发器具有DE和输人，以分别用于使能和禁止驱动器和接收器。而MAXl3412E不具有DE输人，而是利用内部状态机来使能和禁止驱动器。当进人空闲状态时，DI必须驱动至高电平。
2.4 增强ESD保护
MAXl3412E的所有引脚都提供有ESD保护电路，因此，在对器件操作和装配的过程中出现静电放电时。能够提供有效保护。MAXl3412E的驱动器输出与接收器输入具有额外的静电保护能力，能够承受±15kv的ESD冲击。ESD保护结构在任何状态下都可承受较高的EsD冲击，包括标准工作模式、关断和断电模式。因此，当受到ESD冲击后，MAXl3412E能继续工作而不会闭锁或损坏。
3 应用系统电路设计
3.1 电路设计
图2给出了基于MAXl3412E的多点总线传输线隔离系统的基本电路。该电路可利用AutoDirection功能将光耦的数量减少到2个，并提供VREG输出，它可为外部电路提供20mA电流[5]。
3.2 系统分析
该系统中的AutoDirection工作原理是在DI为低电平时，由MAXl3412E将总线驱动到低电平；而当DI从低电平跳变到高电平时，由驱动器在(A-B)>VDr之前有效驱动输出；一旦(A—B)>VDr，驱动器将禁止工作，由上拉/下拉电阻保持A、B线处于正确状态，从而允许总线上的其他发送器拉低总线。
RS-485标准规定总线上每个接收器的电阻为单位负载。当使用两端以120Ω端接的电缆时，RS-485标准要求驱动器能够在-7~+12v共模电压范围内驱动32个单位负载的接收器。而MAXl3412E具有1/8单位负载，这意味着一个标准兼容的发送器可以驱动多达256个MAXl3412E器件。减小共模范围和，或改变电缆的特性阻抗，可以使用更多数量的接收器，详细信息请参考TIA/EIA-485规范。
当Rs-485的数据速率相对于驱动电缆的长度较大时，系统必须采用正确的端接设计。在大多数情况下，应该使用一条阻抗受控的电缆或总线，并在传输线两端采用阻值等于电缆，总线特性阻抗的电阻来进行端接。RS-485收发器必须以最短的传输线连接到电缆/总线，并尽可能防止反射，星形连接和不恰当的端接电缆可能会导致数据丢失。虽然通常都希望总线进行恰当的端接，但是在某些情况下(例如数据速率非常低时)，不对电缆进行端接可能更方便。但这种情况下，需要设计者确保没有不恰当的端接所导致的反射，即不会导致数据出错。
MAXl3412E的限摆率驱动器可以减小EMI，并降低由于不恰当的终端匹配电缆引起的反射，能允许高达500khps的无差错数据传输。
4 结束语
对于众多总线系统应用来说，总线各个节点之间都必须进行有效的隔离。本文给出的多点总线传输线隔离系统能够适应这种需求，可实现多节点隔离的目的。由于该系统基于MAXl3412E器件，因而具有成本低、结构简单、容易实现等优点，具有良好的应用前景。
半双工、双向数据通信通常要求传输线两端特性阻抗与终端应严格匹配，否则将会产生信号反射、高共模电压、传导噪声以及环路接地等问题。为了解决这些问题，设计时必须对总线上的不同节点进行电气隔离。为此，本文介绍了收发器MAXl3412E的基本结构，给出了基于MAXl3412E的多点总线传输线隔离系统的实现方法。该系统设计充分利用了MAXl3412E的有限摆率特性，从而使系统电路结构变得相对简单，而且运行稳定。
1 MAXl3412E简介
1.1 MAXl3412E的内部结构
MAXl3412E是MAXIM公司生产的一款半双工且与Rs-485/RS-422兼容的收发器，主要应用在传输线隔离电路中。MAXl3412E中包含了一个内部低压差稳压器(LDO)、一路驱动器和一路接收器。MAXl3412E提供有8引脚SO封装，并具有裸焊盘，因而有助于改善散热，能够工作于一40℃~+85℃的扩展级温度范围，MAXl3412E的外部引脚排列及内部功能结构如图1所示。
MAXl3412E的内部LDO可以产生一路5v±10％的电源电压，以便为内部电路供电，同时允许器件采用高达28V的非稳压电源供电。MAXl34121E将LDO输出提供给VREG输出端，并允许为其他外部电路供电，而无需额外的外部稳压器。VREG输出可以提供高达20mA的电流。
MAXl3412E具有1/8单位负载的接收器输入阻抗，允许在一条总线上挂接多达256个收发器，而且所有驱动器输出都提供人体模型的ESD保护。此外，MAXl3412E还包括失效保护电路，可在接收器输入开路或短路时确保输出逻辑为高电平。而当挂接在总线上的所有发送器均被禁止（高阻态）时，接收器也输出逻辑高电平。
MAXl3412E具有Maxim专有的AutoDlrectlon控制结构，该结构省去了DE和控制信号。这可在隔离应用中减少光电耦合器的需求，从而降低系统成本和尺寸。
MAXl3412E提供有可降低摆率的驱动器，故可大大减小EMI和不恰当的电缆端接所引起的反射，从而实现500kbps的无误码数据传输。
MAXl3412E的其它功能还包括失效保护电路、增强ESD保护、电压摆率限制以及可全速运行等。
1.2 引脚功能
MAXl3412E的引脚功能描述如表1所列。
2 MAXl3412E的主要功能说明
2.1 AutoDirection控制
MAXl3412E中的AutoDirection电路能够使器件驱动信号的数量最少，因而非常适合对成本要求苛刻的隔离系统。在典型的隔离系统中，每路跨越隔离栅的控制信号都需要一个光耦。这些光耦会增加系统的成本、尺寸和功耗。没有AutoDirectlon电路时，每个收发器都需要3~4个光耦，而利用AutoDirection电路可以使光耦减少至2个。MAXl3412E在典型的RS-485收发器控制侧具有4路信号，分别为RO（接收器输出）、RE（接收器使能）、DE（驱动器使能）、DI（驱动器输入）。在某些情况下，DE和RE可以连接在一起将控制信号减少至3路。在半双工系统中，RE和DE信号可决定器件的发送或接收状态。当器件处于接收时，发送器为高阻态。而在完全兼容的RS_485系统中，这需要3路或4路信号。但是，经过精心设计并配合AutoDirection功能，与RS-485标准兼容的系统控制信号可以减少到只需要RO和DI。然而，该功能假设在MAXl3412E的接收器电路工作时，DI输入的空闲状态为高电平，但这需要在A线添加一个外部上拉电阻，B线添加一个外部下拉电阻。
2.2 上拉电阻和下技电阻
对于MAXl3412E来说，为保证正常工作。A、B线上必须添加上拉和下拉电阻，但电阻值要求并不严格。上拉和下拉电阻的功能是在所有发送器因关断状态AutoDirection)而处于高阻态时，保能够持总线为高电平(A-B>200mV)。确定这些电阻的最佳值取决于很多因素，如端接电阻、噪声、总线接收器的数量等。合理选择这些电阻，能够确保在任何条件下为所有总线接收器提供(A-B)>200mv电压信号。
2.3 空闲状态
没有数据传输时，MAXl3412E要求DI输人驱动至高电平，并保持闲置状态。传统的RS-485收发器具有DE和输人，以分别用于使能和禁止驱动器和接收器。而MAXl3412E不具有DE输人，而是利用内部状态机来使能和禁止驱动器。当进人空闲状态时，DI必须驱动至高电平。
2.4 增强ESD保护
MAXl3412E的所有引脚都提供有ESD保护电路，因此，在对器件操作和装配的过程中出现静电放电时。能够提供有效保护。MAXl3412E的驱动器输出与接收器输入具有额外的静电保护能力，能够承受±15kv的ESD冲击。ESD保护结构在任何状态下都可承受较高的EsD冲击，包括标准工作模式、关断和断电模式。因此，当受到ESD冲击后，MAXl3412E能继续工作而不会闭锁或损坏。
3 应用系统电路设计
3.1 电路设计
图2给出了基于MAXl3412E的多点总线传输线隔离系统的基本电路。该电路可利用AutoDirection功能将光耦的数量减少到2个，并提供VREG输出，它可为外部电路提供20mA电流[5]。
3.2 系统分析
该系统中的AutoDirection工作原理是在DI为低电平时，由MAXl3412E将总线驱动到低电平；而当DI从低电平跳变到高电平时，由驱动器在(A-B)>VDr之前有效驱动输出；一旦(A—B)>VDr，驱动器将禁止工作，由上拉/下拉电阻保持A、B线处于正确状态，从而允许总线上的其他发送器拉低总线。
RS-485标准规定总线上每个接收器的电阻为单位负载。当使用两端以120Ω端接的电缆时，RS-485标准要求驱动器能够在-7~+12v共模电压范围内驱动32个单位负载的接收器。而MAXl3412E具有1/8单位负载，这意味着一个标准兼容的发送器可以驱动多达256个MAXl3412E器件。减小共模范围和，或改变电缆的特性阻抗，可以使用更多数量的接收器，详细信息请参考TIA/EIA-485规范。
当Rs-485的数据速率相对于驱动电缆的长度较大时，系统必须采用正确的端接设计。在大多数情况下，应该使用一条阻抗受控的电缆或总线，并在传输线两端采用阻值等于电缆，总线特性阻抗的电阻来进行端接。RS-485收发器必须以最短的传输线连接到电缆/总线，并尽可能防止反射，星形连接和不恰当的端接电缆可能会导致数据丢失。虽然通常都希望总线进行恰当的端接，但是在某些情况下(例如数据速率非常低时)，不对电缆进行端接可能更方便。但这种情况下，需要设计者确保没有不恰当的端接所导致的反射，即不会导致数据出错。
MAXl3412E的限摆率驱动器可以减小EMI，并降低由于不恰当的终端匹配电缆引起的反射，能允许高达500khps的无差错数据传输。
4 结束语
对于众多总线系统应用来说，总线各个节点之间都必须进行有效的隔离。本文给出的多点总线传输线隔离系统能够适应这种需求，可实现多节点隔离的目的。由于该系统基于MAXl3412E器件，因而具有成本低、结构简单、容易实现等优点，具有良好的应用前景。
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