4 組合系統(tǒng)指南

了解傳統(tǒng) RS-485 與 Powerbus 之間的基本差異后，我們發(fā)現(xiàn)器件無法相互通信，但如果器件之間確實能夠進行通信，也不會直接對彼此造成損害。然而，這使工廠和/或樓宇自動化用例中的大型通信節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計人員面臨獨特難題，在這些用例中，設(shè)計人員可能無法完全控制系統(tǒng)中的每個節(jié)點，但 Powerbus 可將布線成本減半，從而有助于大幅降低系統(tǒng)的總成本。在過去，這意味著，設(shè)計人員會在他們能夠完全控制網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部工程中實現(xiàn) Powerbus，在無法完全控制網(wǎng)絡(luò)時則實現(xiàn)傳統(tǒng) RS-485，同時不得不向客戶建議更昂貴的解決方案，直到其他節(jié)點的設(shè)計人員決定使用 Powerbus 以大幅降低實現(xiàn)成本（如果他們真的這樣做的話）。這就造成了這樣一種情況，即需要設(shè)計多塊電路板來滿足多個特定需求，并且將系統(tǒng)從傳統(tǒng) RS-485 升級到 Powerbus 將需要全新的電路板設(shè)計。不過，還有一種更快捷的方法，那就是設(shè)計一塊兩用電路板，經(jīng)過配置后，既可用作 Powerbus，也可用作傳統(tǒng) RS-485。本應(yīng)用手冊的其余部分將介紹原始設(shè)計參數(shù)、原理圖設(shè)計，最后介紹通用板外觀的擬議布局，以及追求此類應(yīng)用的好處和利弊權(quán)衡。

Powerbus 在設(shè)計上非常靈活。為了能夠舉例說明，已將設(shè)計參數(shù)調(diào)整為滿足以下要求。

使用第 1 節(jié)的公式，可得到以下結(jié)果。最小串聯(lián)電容為 6.4nF – 因此，任何 6.4nF 或更大的電容都可以正常工作，所以本設(shè)計將選用 1μF 電容器。為避免因電壓問題而導(dǎo)致過多降額，應(yīng)選擇 50V 至 100V 陶瓷電容器 – 一般來說，電容器兩端的最大電壓乘以 2 是一個很好的電壓額定值，這樣才能避免陶瓷電容器的降額。需要注意的一點是，無論直流系統(tǒng)中的調(diào)制頻率如何，255nF 或更大的電容器均可在任何 Powerbus 應(yīng)用中正常運行 - 在交流系統(tǒng)中，由于交流信號將通過串聯(lián)電容器進行傳導(dǎo)，因此電容值的重要性要高得多。每個節(jié)點的最小有效電感（由于有 4 個節(jié)點，因此需要 8 個電感器）為 48.5μH，這是每個電源節(jié)點連接的有效電感。務(wù)必要考慮電感器的飽和電流，因為根據(jù)電感器制造商的不同，飽和電流是將電感降低標(biāo)稱值的 10%、20% 或 30% 所需的電流 – 因此，雖然電源電流對 Powerbus 器件無關(guān)緊要，但對耦合網(wǎng)絡(luò)的電感器部分卻很重要。討論了 Powerbus 參數(shù)之后，現(xiàn)在就可以對聯(lián)合原理圖設(shè)計進行分析了。

傳統(tǒng) RS-485 系統(tǒng)設(shè)計比 Powerbus 簡單得多，因此，該聯(lián)合原理圖適用于任何采用 8 引腳 SOIC 封裝的器件，這種封裝是半雙工 RS-485 收發(fā)器的常見封裝。這種組合設(shè)計可分為三個不同的部分：電源連接、單端 I/O 和直接收發(fā)器接口。

圖 4-1 通用電源輸入原理圖

對于器件 VCC，電源連接本身包含兩個端子塊/測試點輸入；對于 Powerbus，主電源線將包含共享總線上的一半信號。它們的結(jié)構(gòu)相同，都是一個簡單的三腳輸入端（帶電、中性/GND 和 EARTH/機箱連接），其中 J1 用于器件 VCC，J2 用于更高功率信號。它們在電源正極和負(fù)極端子之間均存在大容量電容，您還可以選擇在電源負(fù)極端子和 EARTH/機箱連接之間添加額外電容。器件 VCC 不需要大容量電容，但假設(shè) Powerbus 器件在電源和負(fù)載上存在大容量電容。電容值可根據(jù)具體用例而變化。此外，還可在 GND 和 EARTH 之間添加一個電阻，以減少接地環(huán)路電流，從而降低出現(xiàn)噪聲問題的風(fēng)險。除了電源輸入，還有另外兩個特性：器件 VCC 的 LED 指示燈，以及 GND 和 EARTH 之間的分流器（如果系統(tǒng)中不存在接地連接）。根據(jù)具體用例確定連接方式。

圖 4-2 通用單端 I/O 原理圖

介紹完電源連接后，接下來要關(guān)注的是單端 I/O。幸運的是，如前所述，無論是傳統(tǒng) RS-485 還是 Powerbus，D 和 R 引腳的功能均相同。在大多數(shù)用例中，R 和 D 可直接連接到有線通信子系統(tǒng)的控制器 – 無論負(fù)載情況如何，均可使用上拉和下拉電阻。上面連接到 J3 的 R 引腳可選擇上拉、下拉和/或容性負(fù)載（常見用例是采用上拉電阻和容性負(fù)載，以便空閑狀態(tài)始終讀為“高電平”），這在 UART 協(xié)議中很常見。連接到 J8 的 D 引腳顯示了采用上拉電阻的情況，用于確保在啟動時達到保證的電平。妥善做法始終是在邏輯輸入端設(shè)定一個預(yù)定義的“默認(rèn)”狀態(tài)，以防止輸出端出現(xiàn)毛刺脈沖，但不一定是上拉電阻，也可以是下拉電阻。組合電路板上更多地涉及到其他兩個信號。首先看看連接到 J7 的 DE 信號，需要注意的是，該輸入僅用于傳統(tǒng) RS-485 子系統(tǒng)，因為 Powerbus 器件沒有 DE 引腳。最后，J6 上的“MODE”輸入將根據(jù)使用的應(yīng)用類型來更改其運行方式。在 Powerbus 應(yīng)用中，J6 的輸入將用于切換收發(fā)器的模式（RX（邏輯低電平）或 TX（邏輯高電平）），而在傳統(tǒng) RS-485 中，該輸入用于打開（邏輯低電平）或關(guān)閉（邏輯高電平）接收器。

圖 4-3 傳統(tǒng) RS-485 + Powerbus 接口原理圖

最后，傳統(tǒng) RS-485 與 Powerbus 組合的最重要方面是收發(fā)器本身。這可分為三個部分：電源連接、單端輸入（面向控制器的引腳）和面向差分總線的引腳。

前面已大致介紹過電源引腳，唯一的調(diào)整是需要在靠近 IC VCC 引腳的位置至少添加 100nF 的去耦電容 – THVD8000/THVD8010 和大多數(shù)其他現(xiàn)代 RS-485 器件都是如此（對于較舊的器件，可能建議使用較大的電容器，比如 1μF 電容器，但大多數(shù)現(xiàn)代器件的電容將為 100nF）– 由于電路板有兩種不同的 IC 封裝尺寸，因此使用了兩個 100nF 電容器，每個器件 VCC 各一個。

接下來是單端信號，前面也已大致介紹過。然而，對于傳統(tǒng) RS-485 和 Powerbus 之間的 MODE、DE 和 F_SET 引腳，有一個重要的考慮因素。Mode 信號的輸入將指向 THVD8000/THVD8010 的 MODE 引腳和傳統(tǒng) RS-485 器件的 /RE 引腳。在傳統(tǒng) RS-485 器件將 DE 和/或 RE 短接在一起的應(yīng)用中，可以添加電阻 R9 和 R14，以在這些引腳之間形成短路。在 Powerbus 模式下使用此功能時，應(yīng)移除電阻 R9 和 R14，因為 Powerbus 中不存在 DE，并且對于 Powerbus 應(yīng)用，F(xiàn)_SET 上沒有直接輸入。那么還剩下 F_SET 引腳，該引腳在傳統(tǒng) RS-485 系統(tǒng)中未使用，但在 Powerbus 應(yīng)用中將通過向器件 GND 放置一個電阻來加以利用，所選電阻 R13 的值可將調(diào)制頻率設(shè)置為 5MHz。

最后，可以討論總線引腳。理想情況下，傳統(tǒng) RS-485 在系統(tǒng)中的 A 和 B 之間有兩個終端（每個 120Ω），其他電路元件只有保護二極管、EMI 降低電阻和/或偏置電阻；而 Powerbus 則不僅有這些元件，還有耦合網(wǎng)絡(luò)需要應(yīng)對。您可能注意到的第一個問題是，傳統(tǒng) RS-485 收發(fā)器在通過串聯(lián)電容通信時會遇到麻煩；雖然從技術(shù)上可以做到這一點，但通常需要一種編碼方案，這種方案會降低系統(tǒng)的總體吞吐量，同時增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性。為了解決這個潛在的問題，該電路板提供了電阻串聯(lián)或電容串聯(lián)選項。在 Powerbus 中，需要安裝電容器，而不會安裝 0Ω 鏈路；而對于傳統(tǒng) RS-485，反之亦然。下一個主要關(guān)注點是電感耦合 – 從技術(shù)角度講，RS-485 標(biāo)準(zhǔn)并未明確禁止對“交流”接地基準(zhǔn)的共模電感，但該標(biāo)準(zhǔn)中提到了對地的最小共模阻抗。同樣，該值約為 375Ω。由于電感器的阻抗基于頻率，并且在沒有額外編碼方案的情況下，無法保證未調(diào)制 RS-485 數(shù)據(jù)流的基頻分量能保持正確的頻率以防止總線過載，這將導(dǎo)致傳統(tǒng) RS-485 和 Powerbus 之間的總線負(fù)載不匹配。要解決這個問題，只需在需要 Powerbus 時為電感器保留焊盤，而在其他情況下不安裝焊盤即可。其他元件主要包括建議用于傳統(tǒng) RS-485 和 Powerbus 的元件 – 包括分裂終端、保護二極管，以及使用傳統(tǒng) RS-485 時可在傳統(tǒng) RS-485 和 Powerbus 連接之間實現(xiàn)的電阻鏈路。

了解原理圖以及在何種情況下如何使用后，就可以構(gòu)建可能的布局。

圖 4-4 示例布局 - 頂層

圖 4-5 IC PWR、IO、差分總線和高功率接口布局特寫

圖 4-6 示例布局 - 底層

圖 4-7 示例布局 - 層堆疊

該布局采用 4 層電路板，將器件 VCC 和 GND 保留在電路板內(nèi)部以便于布線 – 這不是必需的，但可以使布局更簡單。

有了布局和原理圖，半通用板就制作完成了。這樣做的好處是可對多個系統(tǒng)進行統(tǒng)一設(shè)計。需要重點權(quán)衡的是解決方案尺寸與 Powerbus 可變性。傳統(tǒng) RS-485 由于缺少電感器，通常會提供較小的解決方案尺寸。在空間受限的應(yīng)用中，很可能需要采用一種純傳統(tǒng) RS-485 方法。另一個需要重點權(quán)衡的是電源總線的需求 – 電感值和尺寸可能因應(yīng)用或終端設(shè)備的需求不同而存在顯著差異 – 對于真正的通用板，應(yīng)在 125KHz 調(diào)制頻率下按 256 個節(jié)點選擇電感器，并考慮最壞情況下的電源電流 – 因為這種電路板適用于任何電源總線應(yīng)用，但由于電感值較大，其解決方案的尺寸也非常大。