結果,所用的元件超過實際所需的尺寸,如功耗更高的終端電阻(terminating resistor),使電磁干擾(EMI)問題更加嚴重。本文所討論的幾個關鍵因素,可以幫助工程師迅速而精準地選對正確的方案。

有關這個主題已經有許多著名的白皮書。本文補充了一些遺漏的細節,並提出可增強設計性能的簡單技巧。

20170524TA01P1 圖1 基本RS-485拓撲。

電磁干擾問題

有三種基本工具可以幫助設計師管理電磁干擾(遮罩技術將在文章的最後單獨說明)。

1.元件速度; 2.收發器工作電壓; 3.終端電阻電流。

速度

使用的串列傳輸速率不要超過實際應用的要求,包括收發器的速度,收發器有不同的速度選項,它們會影響訊號的上升/下降時間。舉例來說,許多RS-485鏈路的速度在1Mbps以下,因此像德州儀器(TI)的SN75HVD12DR這樣的元件就是一種好的選擇,對於128kbps速度的鏈路來說,速度低一些的Intersil元件就足夠。

這些元件上升時間較慢(例如100ns),但對這些應用來說已經足夠,可以最大程度地減少電磁干擾輻射。因為回應速度較慢,也降低了對附近噪音源的敏感度。請仔細閱讀收發器的規範說明,因為許多標準元件將運行在10Mbps或更快的速度下,比這些鏈路通常所需的速度快得多。

20170524TA01P1-1 表1:RS-485收發器及其速度舉例。

電壓

電磁干擾幅度與任意訊號的電壓擺幅成正比,因此減小電壓擺幅可以減少因連接而產生的電磁干擾。許多較新元件的額定工作電壓是3.3V,可以滿足RS-485訊號標準的最低要求。在今天的許多系統設計中,3.3V要比5V更常用。如果使用更低的電壓,我們需要放棄什麼?在這個電壓下,元件的速度和抗雜訊能力可能會下降,但如果元件的額定速度滿足要求,並且使用了遮罩措施,那麼3.3V的RS-485訊號通常足夠。需要重申的是,是否需要考慮所有相關條件並查閱資料手冊,取決於設計師。為了抵抗浪湧,要在收發器輸入端增加一個電容以避免出現訊號劣化,除非計算出來的頻率回應是訊號速率(1/2串列傳輸速率)的5~10倍。

RS-485的工作電壓範圍很寬,從200mV接收閾值到10V最大差分訊號。2V峰-峰值通常是推薦的最小驅動電平,3.3V元件滿足這個條件,同時又能很好地與5V供電元件連接,因而能提供合理的訊噪比(SNR),特別是對較短距離的通訊來說。記住,如果你需要高速(5MHz以上),那麼你可能需要5V電源,請查閱相關的資料手冊。

電流

電磁干擾問題本質上就是磁性問題,因此流經端接電阻的電流被認為是引起電磁干擾的一個因素。磁性干擾比較難控制,因為銅的相對磁導率大約為1,不管附近是否有遮罩都可能引起干擾電路的耦合。較低的瞬態電流可以減少磁性特徵,最大限度地減小與鄰近其他電路的耦合。

我們如何做到這點呢?難道端接電阻值不是固定的嗎?是的,只要線纜的「電長(electrically long)」相對於訊號邊緣速率來說足夠,它就不是固定的。沒有規定說不能為了工程上的其他理由而增加這個值。若關心的主要問題是敏感度而不是輻射,這個終端電阻的阻值就越小越好。不過仍然需要進行折衷,如同其他所有工程設計那樣。比較5V/120Ω系統和3.3V/499Ω系統就能發現,電流可以減少至1/6。

終端電阻

這一設計準則很容易受濫用經驗的影響。大多數人最初知道的電阻預設值是120Ω,分別跨接在網路遠端的(+)和(-)數據端子上,但120Ω並不總是最好的選擇,選用這個原始終端原本就是為了匹配商用雙絞線阻抗。不管什麼樣的應用,即使短距離應用,也不要考慮不接終端電阻,因為它能提供很好的抗雜訊能力。需要終端的理由有兩個:

電纜的「電長」足夠,能滿足2˙tp≥tr/5,其中tp是訊號沿電纜單向傳輸的時間,tr是來自指定驅動器的訊號上升時間(10%~90%;請參考後面根據速度因數計算的訊號傳輸時間)。如果電纜的「電長」不夠,那麼在調整終端(Rt)值時就可以更加靈活。這是選用慢速驅動器來滿足應用要求的另一個理由。

敏感度:如果沒有任何終端,SN75HVD12DR的接收器輸入阻抗(單端)估計在109kΩ左右(基於最大輸入電流指標和接腳上的12V電壓)。這麼高的輸入阻抗很容易受到PCB或電纜內鄰近訊號的串擾(如果遮罩層內的電纜超過一對)。透過並聯終端電阻可以降低這個阻抗值,最大程度地減少串擾,但代價是功耗會增大。建議做適當的折衷,永遠不要放棄「免費的」抗雜訊性能,一定要包含一定數值的終端。

最佳化終端電阻

需要回答的第一個問題是:電纜的「電長」夠嗎?然後我們就能確定是否需要將電阻Rt與電纜阻抗匹配。回答這個問題可以從上面的等式2˙tp≥tr/5開始。

這是一種保守做法,而不是硬性限制。加入前面驅動器的上升時間可以得到2˙tp≥100ns/5,這樣就得到了最大10ns的訊號傳輸時間tp。這意味著從驅動器到對端電纜末端所需時間不到10ns(在到達第一個終端電阻之前)。接下來根據電纜電介質(及其速度因數)計算如何將這個要求轉換為電纜長度。速度因數是訊號沿著導體/電介質傳播的速度與光在真空中傳播速度之比。

VF(速度因數)=1/√εr

r=相對介電常數或介電常數;例如,聚乙稀,εr=2.25)

因此速度=c˙VF或c/√εr

例子:百通(Belden)規定#9841電纜的速度因數為66%(絕緣體是聚乙稀,由上述公式計算得到66.6%)。如果沒有規定VF,可以查找介電材料,然後用上述公式計算。

先計算電纜的最大長度(使用上面的100ns驅動器和10ns最大tp),然後找出與電纜阻抗匹配的終端電阻。

vprop=c(3˙108m/s)˙VF(0.66)=1.98.108m/s Lmax=vprop˙tp(10ns)=1.98m

合併兩個公式後簡化為:

Lmax=(tr/10)˙c˙VF

或者採用ns和公尺(m)作為單位:

Lmax=(tr/33)˙VF

低功耗注意事項

在這個例子中,長度小於1.98m(比如嵌入式應用主機殼)的電纜不需要與之相配的終端電阻。那麼如何選擇Rt呢?可以不使用。然而如前所述,阻值較低的電阻可以減少敏感度,499Ω是一個好的起始值。對於5V訊號,當電阻從120Ω變為499Ω時,每個電阻的靜態功耗將從208mW下降到50mW。與無終端情況相比,這種做法有助於降低功耗和敏感度,從而實現強壯的通訊鏈路。

對於非電池驅動的應用,我們為什麼還要關心功耗呢?SMT元件在設計中已經變得非常小。一個0603電阻的額定功率是100mW,若降額因數為50%,留給我們用的功率就只有50mW。499Ω的0603電阻滿足要求,而208mW的原始設計需要1210尺寸的電阻。更高阻值的電阻有助於減小設計尺寸,並使鏈路更加強壯。3.3V/499Ω訊號則允許使用0402的終端電阻。

低功耗也意味著3.3V或5V電壓軌可以不用電荷泵穩壓器,這樣可以減少元件數量,從而降低總成本。舉例來說,凌力爾特(Linear)的LTC3255可以採用4~48V直流輸入,但輸出限制為50mA。

管理共模(CM)電壓

雖然RS-485是一種差分網路,但要想正確工作,必須滿足有限共模電壓限制要求。這意味著如果它們彼此呈懸浮狀態,則從一個節點到另一個節點需要一條地線,共模電壓可能來自數位訊號(使用二極體/電容),但一般來說它不抗雜訊。為了控制從一個模組到另一個模組的雜訊,可以在地線上串聯一個電感,這樣不僅可以透過任一根資料線控制直流共模電壓,還能最大限度地減小射頻回流。

通常1μH的電感就可以提供很好的保護,因為它的阻抗在200MHz頻率時超過1kΩ,但又不會因太高而干擾1Mbps或以下的通訊。也可以採用共模扼流器(choke)來提供額外的射頻保護。由於給遠端收發器供電的電源有時是隔離型直流-直流轉換器,地線電感可以透過直流-直流轉換器的寄生電容最大程度地減少射頻雜訊電流。

遮罩

控制電磁干擾並不是說所有接地都懸浮於大地之上。一般來說,遮罩層(如果用的話)的一端會連到末端的訊號地或具有地線的節點,而遮罩層的另一端則處於懸浮狀態,在有可能發生嚴重磁性干擾的情況下,可能要求將遮罩層的兩端都接地。當電纜長度超過10m時,遠端的遮罩接地將被轉換為「軟地(soft ground)」(使用電容),以便透過遮罩層(連接遠端地)最大限度地減少低頻干擾。

使用電壓源和寄生電容的雜訊模型連接在相對地、導體和遮罩層之間,這是一種明智的做法。圖2中為基本的遮罩構建了雜訊模型。

20170524TA01P2 圖2 基本遮罩結構的雜訊建模。

總結

RS-485實現了能夠對抗電磁干擾的簡單網路,但在應用中必須理解各種選項,並運用合理的工程原理。在眾多選項中,不要簡單地選用自己見過或用過的元件,市場上不斷推出新元件,應綜合考慮傳輸長度、元件速度、功耗要求,以及將使用的電纜類型,再做出選擇。正確的選擇有助於設計的最後成功。