TSS521 Meter-Bus 收发器：技术解析与应用指南

在电子工程领域，Meter-Bus 标准的应用十分广泛，它为智能计量设备的通信提供了可靠的解决方案。TI 公司的 TSS521 单芯片收发器，专为 Meter-Bus 标准（EN1434 - 3）应用而开发，在智能计量领域有着重要的地位。今天，我们就来深入了解一下 TSS521 的特点、功能以及应用。

文件下载：tss521.pdf

一、TSS521 概述

TSS521 是一款满足 Meter-Bus 标准（EN1434 - 3）的单芯片收发器，主要用于从设备。它具有诸多特点，适用于多种计量应用，如电表、水表、气表和热量表等。其接口电路能够调节从系统与 Meter-Bus 主设备之间的不同电位，并且与总线的连接极性无关，还支持通过光耦合器实现完全的从设备隔离。

特点总结

• 接收器逻辑具备动态电平识别功能。
• 恒流源可通过电阻调节。
• 具有极性独立的电源故障功能。
• 模块电源电压可切换。
• 提供 3.3V 恒压源，半双工 UART 协议速率可达 9600 波特。

二、引脚功能

TSS521 共有 16 个引脚，每个引脚都有特定的功能，以下是主要引脚的功能介绍：	引脚名称	引脚编号	描述
BUSL2	1	Meter-Bus 接口
VB	2	整流器后的差分总线电压
STC	3	支持电容连接引脚
RIDD	4	电流调节输入
PF	5	电源故障输出
SC	6	采样电容连接引脚
TXI	7	数据反相输出
TX	8	数据输出
BAT	9	逻辑电平调节
VS	10	总线或电池供电输出切换
VDD	11	电压调节器输出
RX	12	数据输入
RXI	13	数据反相输入
RIS	14	调制电流调节输入
GND	15	接地
BUSL1	16	Meter-Bus 接口

三、功能描述

1. 数据传输：主设备到从设备

主设备到从设备的数据传输中，总线上的标记电平（$V_{BUS } = MARK$）由从设备处的 BUSL1 和 BUSL2 的差值定义，其值受主从设备距离影响，因为距离会导致线路上的电压降。为使接收器独立工作，在 SC 引脚上使用动态参考电平，供电压比较器 TC3 使用。

SC 引脚处的电容（$C{SC}$）由电流（$I{SCcharge}$）充电，并以电流（$I{SCdischarge}$）放电，它们之间的关系为$I{Sddarge }=frac{I{SCcharge }}{40( typ )}$。这种比例关系确保了任何 UART 协议的运行不受数据内容的影响。输入电平检测器 TC3 检测来自主设备的电压调制（$V{BUS } = SPACE$ 或 MARK 条件），并切换反相输出 TXI 和非反相输出 TX。

2. 数据传输：从设备到主设备

从设备到主设备的数据传输采用电流调制方式，在总线电压保持恒定的情况下，电流源 CS3 对总线电流进行调制，主设备检测这种调制来获取信息。恒流源 CS3 由反相输入 RXI 或非反相输入 RX 控制，并且可以通过外部电阻$R_{RIS}$进行编程。

调制期间，除了电流源 CS3 的电流外，还有调制电源电流$I_{MS}$。由于 TSS521 仅配置为半双工模式，来自 RX 或 RXI 的电流调制会同时在输出 TX 和 TXI 上以回波形式重复。如果从设备和主设备同时尝试在总线上发送信息，输出 TX 和 TXI 上会出现叠加信号，这表明从设备发生了数据冲突。

3. 从设备供电：3.3V

TSS521 内部有一个 3.3V 电压调节器，其输出功率由 STC 引脚处的存储电容$C{STC}$提供。存储电容$C{STC}$由电流源 CS1 以恒定电流$I{STC_use}$充电，最大电容电压限制为 REF1。充电电流$I{STC}$需通过 RIDD 引脚处的外部电阻定义，调节电阻$R{IDD}$可通过公式$R{RD}=25 frac{V{RDO }}{I{STC }}=25 frac{V{RDO }}{I{STC{-}}+I{C 1}}$计算。

比较器 TC1 监测存储电容$C{STC}$的电压电平。当电压$V{STC}$达到$V{VDD_on}$时，开关$S{VDD}$将稳定电压$V{VDD}$连接到 VDD 引脚；当电压$V{STC}$下降到$V{VDD_off}$以下时，VDD 关闭。电容$C{STC}$上的电压变化会导致总线电流变化。

在总线故障时，VDD 的关闭时间（$t{off}$）取决于系统电流$I{VDD}$和电容$C_{STC}$的值，这对于确定电容的尺寸非常重要。输出 VS 用于由总线能量驱动的从设备系统，当总线线路电压故障时，也可由电池供电。VS 的切换与 VDD 同步，并由比较器 TC1 控制，通过外部晶体管可实现从 Meter-Bus 远程供电到电池供电的切换。

4. 电源故障功能

由于输入处的整流桥 BR，TSS521 具有极性独立性。VB 引脚到地（GND）提供的总线电压$V{VB}$减去整流桥 BR 上的电压降。电压比较器 TC2 监测总线电压，当$V{VB}>V_{STC}+0.6V$时，输出$PF = 1$；当输出电平$PF = 0$（电源故障）时，会向微控制器发出临界电压下降的警告，以便立即保存数据。

四、电气特性

1. 绝对最大额定值

• 总线电压（BUSL1 到 BUSL2）：+50V
• 输入电压范围（RX 和 RXI、BAT）：-0.3V 至 5.5V
• 工作结温范围：-25°C 至 150°C
• 工作环境温度范围：-25°C 至 85°C
• 存储温度范围：-65°C 至 150°C
• 功率降额因子（结到环境）：8mW/°C

2. 推荐工作条件

• 总线电压（接收器）：10.8V 至 42V
• 总线电压（发送器）：12V 至 42V
• 输入电压（VB 接收模式）：9.3V
• BAT 电压：2.5V 至 3.8V
• RIDD 电阻：13kΩ 至 80kΩ
• RIS 电阻：≥100Ω
• 工作环境温度：-25°C 至 85°C

3. 电气特性参数

文档中还详细列出了各种电气特性参数，如整流器 BR 的电压降、电流源 CS1 的电压降、总线电流、电源电流、VDD 电压、VDD 电阻等，这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。

五、应用信息

1. 基本应用电路

文档提供了几种基本应用电路，包括带支持电容$C{STC}>50μF$的基本应用电路、电池供电的基本应用电路、不同供电模式的基本应用电路以及基本光耦合器应用电路。在设计应用电路时，需要考虑晶体管 T1（如 BSS84）在低电池电压下的$R{DSon}$值。

2. 封装信息

TSS521 有不同的封装选项，如 TSS521D（已过时）、TSS521DR 和 TSS521DR.A（均为有源生产），采用 SOIC（D）封装，16 引脚。文档还提供了封装的详细信息，包括尺寸、引脚分配等，以及载带和卷盘的相关信息。

六、总结与思考

TSS521 作为一款专为 Meter-Bus 标准设计的收发器，具有丰富的功能和良好的电气特性，适用于多种计量应用场景。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择工作条件和参数，确保电路的稳定性和可靠性。同时，要注意封装的选择和应用电路的设计细节，以充分发挥 TSS521 的性能。大家在使用 TSS521 过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。