如何計(jì)算高速RS-485收發(fā)器的功率損耗

RS-485 接口因其穩(wěn)健性和長(zhǎng)距離通信能力而廣泛用于工業(yè)應(yīng)用。自 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)于 1998 年推向市場(chǎng)以來，電子系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性不斷增加。許多終端設(shè)備（例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、PLC 和工業(yè) PC）現(xiàn)在都需要高速 (>10Mbps) 通信。TI 的 THVD1550 是新款 TI RS-485 收發(fā)器，可支持高達(dá) 50Mbps 的數(shù)據(jù)速率。在本文中，我將向您展示如何評(píng)估 THVD1550 在這種高速傳輸下的功率耗散。這樣，您可以了解功率消耗情況并評(píng)估系統(tǒng)的熱性能。

要計(jì)算功率損耗，您可以將功率分成幾個(gè)部分。成功評(píng)估每個(gè)部分后，將所有部分相加可得到總功率。當(dāng)器件在沒有外部負(fù)載的情況下上電時(shí)，該集成電路 (IC) 本身會(huì)消耗功率。如果您在其輸出引腳上添加負(fù)載，該器件會(huì)提供驅(qū)動(dòng)負(fù)載的功率。由于 RS-485 具有差分信號(hào)，負(fù)載通常加在 A 和 B 引腳之間。

進(jìn)一步研究負(fù)載，您可以將負(fù)載分為兩種類型：阻性和容性。阻性負(fù)載本身會(huì)消耗一些功率，而容性負(fù)載僅在其極板之間傳輸能量，無任何能量損失。由于每種類型的特性不同，功率計(jì)算方式有所不同。

圖 1 是三種類型的功率耗散圖。

圖 1：典型 RS-485 收發(fā)器的電流流動(dòng)

PDic（藍(lán)色）是器件自身消耗的功率。PDdc（紅色）是來自阻性負(fù)載的功率，PDac（綠色）是來自容性負(fù)載的功率。總功率是所有這三個(gè)部分的總和，使用公式 1 計(jì)算得出。 

要計(jì)算 PDic，您可以使用數(shù)據(jù)表中的靜態(tài)電源電流值 Icc。THVD1550 中的典型值為 700μA。（在本文中，我將使用典型值；例如，Vcc 為 5V。）根據(jù)電壓和電流值，可以使用公式 2 計(jì)算器件功率。 

如果在總線上放置阻性負(fù)載，驅(qū)動(dòng)器會(huì)在阻性負(fù)載上產(chǎn)生電壓 (Vod)。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)要求 54Ω 電阻上的最小 Vod 為 1.5V。在典型情況下，THVD1550 的驅(qū)動(dòng)器在 54Ω 上產(chǎn)生 2.7V，這意味著器件電流為 50mA。

這里重要的是，您需要區(qū)分負(fù)載的功率耗散和器件的功率。要了解器件的熱性能，只需關(guān)注器件的功率。因此，公式 3 從電源總功率 (Vcc*I) 中減去負(fù)載功率 (I2*R)：

下面，我們來看看開關(guān)功率，即驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載所需的功率。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將差分電容器分成兩個(gè)接地的單端電容器（圖 2）。

圖 2：典型 RS-485 收發(fā)器的等效容性負(fù)載

每個(gè)電容器上的信號(hào)幅度為 Vod，頻率為數(shù)據(jù)速率的一半（圖 3）。盡管 A 和 B 引腳上的電壓相反，但它們消耗的功率相同。

圖 3：RS-485 收發(fā)器輸出引腳的信號(hào)

在這里，您還需要考慮器件的寄生電容。在一些數(shù)據(jù)表中，它被稱為 Cod。我們?nèi)?SN65HVD82 的典型值 8pF。假設(shè)負(fù)載電容為 50pF。現(xiàn)在，圖 2 中每個(gè)電容器 C 的容值是 50pF + 8pF 之和。開關(guān)功率與頻率和振幅有關(guān)。在每次充電期間，從電源消耗的能量等于公式 4：

其中 Vc 是電容器上的電壓。

在每一時(shí)刻，流過電容器的瞬時(shí)電流為 C(dVc/dt)。您可以對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)功率進(jìn)行積分，得出為電容器充電所需的能量。因此，可通過公式 5 計(jì)算驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的功率：

在得出所有三個(gè)部分耗散的功率值后，公式 6 可計(jì)算出總功率為：

在 THVD1550 數(shù)據(jù)表的第 7.5 節(jié)中，表格顯示了器件功率耗散的測(cè)試數(shù)據(jù)，其中電源電壓為 5.5V，溫度為 125°C，數(shù)據(jù)速率為 50Mbps，這是一種最壞情況。這些值包括一些非理想因素，如直通電流，因此可用于評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)中器件的最大功率耗散。