在电子功率计中选择RS-485收发器的注意事项

自动抄表技术为电表提供了一个通信端口，允许以电子方式和远程读取功率表。本应用笔记讨论了Maxim的RS-485收发器的各种特性，这些特性使其非常适合电子功率计中的通信端口。

自动抄表在电子功率计中越来越受欢迎。该技术为功率计提供了一个通信端口，允许以电子方式读取，在大多数情况下还可以远程读取。这使得电力公司可以节省金钱和时间。使这项技术发挥作用的关键是确保通信链路既安全又强大。RS-485是一种简单，廉价，可靠的通信规范，非常适合自动抄表。本文将讨论Maxim的RS-485收发器的众多特性，这些特性使其成为电子功率计的理想选择。

图1.带有RS-485端口的电子功率计的示例框图。

图1显示了使用RS-485端口的电子功率计的示例框图。该端口通过使用光耦合器和变压器与MCU和模拟前端电气隔离。这种隔离提供了针对RS-485线路电涌的保护和鲁棒性。

A和B线上的上拉和下拉电阻用于定义电缆断开时接收器的状态。使用这些电阻器，当电缆断开时，接收器输出始终为高电平，这有很多优点。在图1系统中，IrDA电路具有漏极开路输出。考虑一下如果RS-485收发器在电缆断开时错误地将线路拉低会发生什么。在这种情况下，光耦合器的输出晶体管将导通，并将总线保持在低电平，从而阻止漏极开路IrDA模块与MCU之间的任何通信。通过保证电缆断开时的高输出，系统可以在同一UART总线上使用其他漏极开路器件。

PTC 和 TVS 相结合，可在其中一根 RS-485 电线短路到主电源线（例如 220VAC）时提供差模过压保护。

隔离电路由反激式变压器上的附加绕组供电。在图 1 图中，反激式有两个输出：第一个用于为 MCU 和模拟前端供电。第二个是电气隔离的，为RS-485端口供电。请注意，如果备用电池与上述反激式电源一起使用，它将有效地与MCU电源“二极管OR-ed”（V抄送在图中）。这意味着isolated_V抄送使用电池操作时不会出现。因此，RS-485电路没有“开启”，因此在停电期间无法与仪表通信，也无法告诉任何人停电。

以下是Maxim的RS-485收发器的特性，有助于改进/简化RS-485端口电子功率计的设计。有关包含所有这些特性的器件的更多信息，请参考MAX3070E （3.3V）或MAX13085E （5V）数据资料。

故障安全RS-485标准将高低信号的阈值定义为±200mV，但这些电平之间的范围不确定。这在三种情况下会出现问题：

总线上的所有发送器均被禁用，因此阻抗很高。这意味着由于总线上的终端电阻，接收器输入之间的差分电压为0V。

RS-485导线之间短路。同样，导线之间的差分电压为0V。

有开路，或功率计断开。同样，差分电压为0V，因为收发器本身在输入之间具有高阻抗电阻，迫使其为0V。

在所有三种条件下，差分电压均为0V。不幸的是，RS-485规范将0V定义为不确定电压。这意味着接收器的输出可能是高、低或更糟——它可能在两者之间振荡。Maxim的故障安全接收器通过指定-50mV至-200mV之间的接收门限来解决这个问题。这是比RS-485规定的更严格的阈值，因此是合规的。这是一个优势，因为现在0V差分电压被定义为已知状态，从而消除了由上述三个条件引起的问题。这允许功率计硬件设计人员去除图1所示的两个偏置电阻。

压摆率限制由于大多数功率计应用的数据速率在1kbps至19.2kbps范围内，因此不需要快速边沿速率，只会产生不需要的辐射发射。通过控制RS-485收发器中驱动器的边沿速率，可以降低更高频率下的辐射。较低的压摆率还可以减少由于不完美的端接和短截线等引起的数据错误。（见图 2 和图 3）。

图2.MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E的驱动器输出波形和FFT图，发送125kHz信号。

MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E不受压摆率限制，因此可以支持更高的数据速率。然而，更高数据速率所需的更快边沿会产生更大、更高频率的谐波。这些谐波会增加辐射EMI，并且对不完美端接的容忍度较低。

图3.MAX3483E/MAX3488E的驱动器输出波形和FFT图发送125kHz信号。

MAX3483E和MAX3488E具有压摆率限制，因此最大数据速率降低至250kbps或更低。这对于功率计应用来说通常绰绰有余。随着频率谐波的增加，降低的压摆率越低。这减少了EMI和不完美的端接问题。

热插拔在RS-485等多点系统中，重要的是只启用一个发射器并发送信号。如果启用两个或多个发射器，将出现总线争用，从而导致数据错误。一个健壮的系统能够容忍使用软件的一定数量的数据错误，但硬件设计人员仍然负责首先将这些错误最小化。Maxim的热插拔功能旨在解决两种常见的总线误用情况：

收发器最初在已经处于活动状态的总线上上电。

收发器位于热插拔到已激活系统的卡上。

在这两种情况下，驱动RS-485收发器的微控制器（μC）将经历复位序列。大量μC使其I/O引脚达到三态。一旦软件代码有时间运行，微处理器引脚最终将配置为适当的状态。从初始上电到正确配置引脚之间的时间可能会导致问题。主要问题是RS-485收发器的驱动器使能（DE）引脚会“看到”无意的逻辑电平高电平。这是因为三态引脚会因噪声或漏电流而被拉高。

Maxim的热插拔功能通过两步序列解决了这一问题。在最初的10μs期间，RS-485收发器上电，并通过一个600kΩ电阻进行5μA的强下拉，将DE引脚拉低。强下拉用于释放DE引脚上的任何电容。10μs后，使用一个100μA下拉电流来保持逻辑电平低电平，以免受漏电流和噪声的影响。这个 100μA 的下拉电流保持有效状态，直到 DE 引脚被一个外部电源拉高。一旦引脚为高电平，100μA电流源被禁用，RS-485收发器正常工作（见图4）。此功能可确保RS-485收发器上的发射器三态，防止任何意外的总线争用。

图4.DE引脚上Maxim热插拔电路的简化框图

扩展的静电放电保护ESD是所有半导体器件的问题，RS-485收发器也不例外。标有“E”的Maxim产品包括扩展ESD，MAX3070E和MAX13085E采用人体模型（HBM）时为±15kV。

隔离MAX3535为单芯片、隔离式、3.3V或5V、自供电RS-485收发器。它包括电容隔离，集成了RS-485收发器，并使用内部H桥驱动器和外部“现成”变压器，在485引脚SO封装中提供单片隔离式RS-16解决方案。这大大减少了设计工作量，因为无需在反激式电源和光耦合器上增加绕组。此外，由于MAX3535是自供电的，因此即使测量仪采用电池供电，RS-485端口也能保持工作状态。MAX3535E还包括热插拔、故障安全、扩展ESD和压摆率限制（图5）。

图5.MAX3535E的典型应用电路

电子功率计已经制造多年，但包含自动抄表功能是相对较新的事件。Maxim的RS-485收发器特性有助于提高电子功率计设计的成本、鲁棒性、简单性和尺寸。

审核编辑：郭婷