使用高效反激式轉(zhuǎn)換器為 RS-485 收發(fā)器供電

1.前言

RS-485 是定義用于串行通信系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性的標(biāo)準(zhǔn)。它不僅定義了單個(gè)設(shè)備到設(shè)備的接口，而且還定義了一個(gè)可以形成多個(gè)設(shè)備的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)的通信總線。

RS-485 運(yùn)行在雙絞線上，兩條線的電壓差定義了邏輯，RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps 。如圖 1 所示。 RS-485 由于其簡(jiǎn)單、低成本和良好的抗噪性，被廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)化，樓宇自動(dòng)化和計(jì)量應(yīng)用。

圖1：RS-485網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.485電源選擇

RS-485的電氣特性：邏輯‘’1‘’以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯‘’0‘’以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號(hào)電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。RS-485設(shè)備的電源一般為單5V或3.3V，消耗電流在200mA以下。以 TI SN65HVD888 為例，建議電源電壓在 4.5V 至 5.5V 之間。許多 RS-485 網(wǎng)絡(luò)使用隔離的總線節(jié)點(diǎn)來(lái)防止意外接地回路的產(chǎn)生及其對(duì)信號(hào)完整性的破壞性影響。隔離總線節(jié)點(diǎn)通常包括總線收發(fā)器和微控制器之間的數(shù)字隔離器。它還需要一個(gè)隔離式轉(zhuǎn)換器來(lái)為 SN65HVD888 供電。

適用于RS-485的電源，為5V 隔離電源要求引入了一種高效、經(jīng)濟(jì)高效的電路。憑借 5V 至 20V 的輸入電壓范圍和至少 200mA 的輸出電流能力，我們可以輕松地在系統(tǒng)板上實(shí)現(xiàn)該電路。

該參考設(shè)計(jì)基于使用 TPS61046 的反激式拓?fù)?，如圖 2 所示。TPS61046 是一款 28V 輸出、900mA 開(kāi)關(guān)電流升壓轉(zhuǎn)換器。如果我們愿意，可以將其替換為 TLV61046A 小外形晶體管 (SOT) 封裝。

變壓器支持高達(dá) 4,000V 的隔離電壓。它有一個(gè)輔助繞組來(lái)檢測(cè)初級(jí)側(cè)的輸出電壓。理想情況下，VSEN 節(jié)點(diǎn)中的電壓與 5V 節(jié)點(diǎn)中的電壓幾乎相同；因此，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié) VSEN 來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。該方法稱為“初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)”。與直接在副邊檢測(cè)電壓的方法相比，原邊調(diào)節(jié)的好處是不需要光耦合器和參考電壓集成電路（IC），大大降低了解決方案成本。

圖 2：初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)反激原理圖

然而，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，非理想變壓器的漏電感會(huì)導(dǎo)致輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍。這種漏感對(duì)于真正的變壓器來(lái)說(shuō)是不可避免的。優(yōu)化漏電感的方法，例如更好的磁芯或特殊的繞組布置，將導(dǎo)致變壓器成本增加。

漏電感還會(huì)導(dǎo)致額外的電流流入 VSEN 節(jié)點(diǎn)。由于 TPS61046 始終將 VSEN 調(diào)節(jié)到設(shè)定電壓，因此 5V 節(jié)點(diǎn)上的電壓將超出收發(fā)器所需的 4.5V 至 5.5V 范圍。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在 VSEN 和 5V 節(jié)點(diǎn)中引入一個(gè)虛擬負(fù)載來(lái)吸收漏電感引起的額外電流。該虛擬負(fù)載傳統(tǒng)上是一個(gè)固定值電阻器。但是，由于漏電感的能量隨實(shí)際負(fù)載的變化而變化，因此在實(shí)際負(fù)載較小的情況下，所需的虛擬負(fù)載應(yīng)較小，在大負(fù)載的情況下應(yīng)較大。但是，如果負(fù)載從 0 到 200mA 變化，我們無(wú)法輕松優(yōu)化固定虛擬負(fù)載以確保輸出電壓保持在 4.5V 到 5.5V 范圍內(nèi)。此外，

TPS61046 集成了省電模式功能，可在輕負(fù)載條件下降低開(kāi)關(guān)頻率以提高效率。在重載條件下，該器件以恒定開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行。使用省電模式功能增加了一個(gè)由 R4、R5、Q1 和 D5 組成的特殊電路（如圖 2 所示）來(lái)解決負(fù)載調(diào)節(jié)問(wèn)題。

電路根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整假負(fù)載。當(dāng)實(shí)際負(fù)載較小時(shí)，Q1 的開(kāi)關(guān)頻率和導(dǎo)通時(shí)間較小，因此虛擬電流也較小。當(dāng)實(shí)際負(fù)載增加時(shí)，Q1 的開(kāi)關(guān)頻率和導(dǎo)通時(shí)間增加，因此虛擬電流也增加。這種可自我調(diào)節(jié)的虛擬負(fù)載有助于提高負(fù)載調(diào)整率和效率。圖 3 和圖 4 顯示了參考設(shè)計(jì)評(píng)估板中的測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖 3：不同輸入電壓下的負(fù)載調(diào)節(jié)

圖 4：不同輸入電壓下的效率

除了 TPS61046，我們幾乎可以使用所有升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)構(gòu)建隔離式反激式轉(zhuǎn)換器。我們只需要根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流以及解決方案成本選擇合適的升壓轉(zhuǎn)換器。