自動抄表技術為電表提供了一個通信端口，允許以電子方式和遠程讀取功率表。本應用筆記討論了Maxim的RS-485收發器的各種特性，這些特性使其非常適合電子功率計中的通信端口。

自動抄表在電子功率計中越來越受歡迎。該技術為功率計提供了一個通信端口，允許以電子方式讀取，在大多數情況下還可以遠程讀取。這使得電力公司可以節省金錢和時間。使這項技術發揮作用的關鍵是確保通信鏈路既安全又強大。RS-485是一種簡單，廉價，可靠的通信規范，非常適合自動抄表。本文將討論Maxim的RS-485收發器的眾多特性，這些特性使其成為電子功率計的理想選擇。

圖1.帶有RS-485端口的電子功率計的示例框圖。

圖1顯示了使用RS-485端口的電子功率計的示例框圖。該端口通過使用光耦合器和變壓器與MCU和模擬前端電氣隔離。這種隔離提供了針對RS-485線路電涌的保護和魯棒性。

A和B線上的上拉和下拉電阻用于定義電纜斷開時接收器的狀態。使用這些電阻器，當電纜斷開時，接收器輸出始終為高電平，這有很多優點。在圖1系統中，IrDA電路具有漏極開路輸出。考慮一下如果RS-485收發器在電纜斷開時錯誤地將線路拉低會發生什么。在這種情況下，光耦合器的輸出晶體管將導通，并將總線保持在低電平，從而阻止漏極開路IrDA模塊與MCU之間的任何通信。通過保證電纜斷開時的高輸出，系統可以在同一UART總線上使用其他漏極開路器件。

PTC 和 TVS 相結合，可在其中一根 RS-485 電線短路到主電源線（例如 220VAC）時提供差模過壓保護。

隔離電路由反激式變壓器上的附加繞組供電。在圖 1 圖中，反激式有兩個輸出：第一個用于為 MCU 和模擬前端供電。第二個是電氣隔離的，為RS-485端口供電。請注意，如果備用電池與上述反激式電源一起使用，它將有效地與MCU電源“二極管OR-ed”（V抄送在圖中）。這意味著isolated_V抄送使用電池操作時不會出現。因此，RS-485電路沒有“開啟”，因此在停電期間無法與儀表通信，也無法告訴任何人停電。

以下是Maxim的RS-485收發器的特性，有助于改進/簡化RS-485端口電子功率計的設計。有關包含所有這些特性的器件的更多信息，請參考MAX3070E （3.3V）或MAX13085E （5V）數據資料。

故障安全RS-485標準將高低信號的閾值定義為±200mV，但這些電平之間的范圍不確定。這在三種情況下會出現問題：

總線上的所有發送器均被禁用，因此阻抗很高。這意味著由于總線上的終端電阻，接收器輸入之間的差分電壓為0V。

RS-485導線之間短路。同樣，導線之間的差分電壓為0V。

有開路，或功率計斷開。同樣，差分電壓為0V，因為收發器本身在輸入之間具有高阻抗電阻，迫使其為0V。

在所有三種條件下，差分電壓均為0V。不幸的是，RS-485規范將0V定義為不確定電壓。這意味著接收器的輸出可能是高、低或更糟——它可能在兩者之間振蕩。Maxim的故障安全接收器通過指定-50mV至-200mV之間的接收門限來解決這個問題。這是比RS-485規定的更嚴格的閾值，因此是合規的。這是一個優勢，因為現在0V差分電壓被定義為已知狀態，從而消除了由上述三個條件引起的問題。這允許功率計硬件設計人員去除圖1所示的兩個偏置電阻。

壓擺率限制由于大多數功率計應用的數據速率在1kbps至19.2kbps范圍內，因此不需要快速邊沿速率，只會產生不需要的輻射發射。通過控制RS-485收發器中驅動器的邊沿速率，可以降低更高頻率下的輻射。較低的壓擺率還可以減少由于不完美的端接和短截線等引起的數據錯誤。（見圖 2 和圖 3）。

圖2.MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E的驅動器輸出波形和FFT圖，發送125kHz信號。

MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E不受壓擺率限制，因此可以支持更高的數據速率。然而，更高數據速率所需的更快邊沿會產生更大、更高頻率的諧波。這些諧波會增加輻射EMI，并且對不完美端接的容忍度較低。

圖3.MAX3483E/MAX3488E的驅動器輸出波形和FFT圖發送125kHz信號。

MAX3483E和MAX3488E具有壓擺率限制，因此最大數據速率降低至250kbps或更低。這對于功率計應用來說通常綽綽有余。隨著頻率諧波的增加，降低的壓擺率越低。這減少了EMI和不完美的端接問題。

熱插拔在RS-485等多點系統中，重要的是只啟用一個發射器并發送信號。如果啟用兩個或多個發射器，將出現總線爭用，從而導致數據錯誤。一個健壯的系統能夠容忍使用軟件的一定數量的數據錯誤，但硬件設計人員仍然負責首先將這些錯誤最小化。Maxim的熱插拔功能旨在解決兩種常見的總線誤用情況：

收發器最初在已經處于活動狀態的總線上上電。

收發器位于熱插拔到已激活系統的卡上。

在這兩種情況下，驅動RS-485收發器的微控制器（μC）將經歷復位序列。大量μC使其I/O引腳達到三態。一旦軟件代碼有時間運行，微處理器引腳最終將配置為適當的狀態。從初始上電到正確配置引腳之間的時間可能會導致問題。主要問題是RS-485收發器的驅動器使能（DE）引腳會“看到”無意的邏輯電平高電平。這是因為三態引腳會因噪聲或漏電流而被拉高。

Maxim的熱插拔功能通過兩步序列解決了這一問題。在最初的10μs期間，RS-485收發器上電，并通過一個600kΩ電阻進行5μA的強下拉，將DE引腳拉低。強下拉用于釋放DE引腳上的任何電容。10μs后，使用一個100μA下拉電流來保持邏輯電平低電平，以免受漏電流和噪聲的影響。這個 100μA 的下拉電流保持有效狀態，直到 DE 引腳被一個外部電源拉高。一旦引腳為高電平，100μA電流源被禁用，RS-485收發器正常工作（見圖4）。此功能可確保RS-485收發器上的發射器三態，防止任何意外的總線爭用。

圖4.DE引腳上Maxim熱插拔電路的簡化框圖

擴展的靜電放電保護ESD是所有半導體器件的問題，RS-485收發器也不例外。標有“E”的Maxim產品包括擴展ESD，MAX3070E和MAX13085E采用人體模型（HBM）時為±15kV。

隔離MAX3535為單芯片、隔離式、3.3V或5V、自供電RS-485收發器。它包括電容隔離，集成了RS-485收發器，并使用內部H橋驅動器和外部“現成”變壓器，在485引腳SO封裝中提供單片隔離式RS-16解決方案。這大大減少了設計工作量，因為無需在反激式電源和光耦合器上增加繞組。此外，由于MAX3535是自供電的，因此即使測量儀采用電池供電，RS-485端口也能保持工作狀態。MAX3535E還包括熱插拔、故障安全、擴展ESD和壓擺率限制（圖5）。

圖5.MAX3535E的典型應用電路

電子功率計已經制造多年，但包含自動抄表功能是相對較新的事件。Maxim的RS-485收發器特性有助于提高電子功率計設計的成本、魯棒性、簡單性和尺寸。

審核編輯：郭婷