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标题: RS-232收发器的演进 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 17:03
标题: RS-232收发器的演进

????? 摘要：将RS-232收发器集成到RS-232设计已经经历了20多年的历史。本应用笔记回顾了RS-232收发器的发展过程，对每一进程的技术优势以及带给用户的益处进行了详细说明。以业内领先的Maxim器件为示例介绍RS-232收发器的演变。
　　引言
　　在过去的25年，为了满足RS-232的发展对RS-232收发器进行了多次修改。这些创新设计包括：集成电荷泵、高ESD保护、自动关断(AutoShutdown?)、3.3V单电源供电、宽带、电平转换等，封装尺寸也在不断缩小。这些改进增强了器件功能，有助于简化RS-232接口设计，减少器件数量，节省电路板面积。作为RS-232收发器产品的领导者，Maxim Integrated Products推出了超过158种具有增值功能的RS-232器件，以满足广泛的应用需求。
　　本应用笔记回顾了RS-232收发器的关键功能，从其发展过程看，RS-232收发器的演变也反映了串口通信的发展需求。
　　背景
　　EIA/TIA-232-E标准于1962年发布，此后进行了4次修改，以满足不断变化的串口通信要求。EIA/TIA-232-E标准的官方名称是“数据终端设备(DTE)与数据电路端设备(CTE)之间串行交换二进制数据的接口”，可以简单地定义为：主机系统(DTE)与外设系统(CTE)之间的串行数据通信(图1)。

图2. RS-232收发器的发展进程
　　集成电荷泵
　　最初的RS-232 IC需要采用双电源(+15V和-15V)供电，以支持RS-232发送器的正、负输出摆幅(请参考图3 ，通道1)。而大多数系统只提供一个电源，这就需要外部电荷泵对单电源进行倍压，然后再进行反相。二十世纪八十年代，Maxim率先将电荷泵集成到RS-232收发器内，创造出首款单电源供电的RS-232 IC MAX232。这是最早推出的能够对电源电压进行倍压、反相转换，支持RS-232发送器电路的RS-232收发器。

图4. RS-232输出电平摆幅
　　以下内容讨论了各种双电源供电的特殊需求。
　　3.0V至5.5V单电源供电
　　虽然大部分RS-232系统采用5V单电源供电，但越来越多的应用要求器件工作在3.3V电源。在3.3V单电源供电系统中，器件工作在3.3V非常重要，同时也要求RS-232器件能够兼容于3V逻辑接口。采用类似于5V单电源供电器件的技术，Maxim推出了能够工作在3.0V至5.5V单电源的收发器产品。
　　与单5V供电的RS-232收发器相同，采用3.0V至5.5V单电源供电的器件同样集成了两路电荷泵电源。这类RS-232器件由于采用了低压差发送器，在采用低至±5.5V的电荷泵电源供电时能够满足±5V最小摆幅的要求。因此，这些器件工作在3V单电源时仍然兼容于RS-232规范。虽然这类产品可以工作在最低3.0V，但也可以工作在最高5.5V电压，即同一器件可以支持3.3V和5V设计。图5所示为MAX3232E工作在3.3V至5V的RS-232器件。

图6. MAX3212集成buck转换器，允许器件采用2.7V至3.6V单电源供电。
　　1.8V至4.25V单电源供电
　　MAX3218 (图7所示)采用混合架构解决供电问题，通过基于电感的转换器产生+6.5V电压，然后利用电荷泵产生-6.5V电压。基于这种技术，器件可以工作在1.8V至4.25V单电源。如此宽的电源输入范围，使MAX3218能够理想用于电池供电系统。

图8. 所有接收器输入介于±0.3V以内的时间超过30?s时，器件进入自动关断模式。

图10. 进入、退出自动关断的门限值
　　低功耗模式下，发送器和发送器使用的电荷泵也会关闭。由于接收器工作时消耗非常低的电流，接收器将始终保持有效工作状态。由此，MAX3221的典型静态电流可以从0.3mA降至1?A (最大值从1mA降至10?A)。需要注意的是，一旦在接收器上检测到有效的RS-232电平时，器件需要100?s才能使发送器进入有效工作状态。MAX3221和MAX3243是具有自动关断功能的RS-232器件。
　　增强型自动关断(AutoShutdown Plus?)
　　类似于自动关断功能，增强型自动关断设计用于只要没有使用RS-232器件即刻关断整个器件，以节省功耗。如果在30s内器件没有有效信号，增强型自动关断将关断器件。这种功能适用于发送器连接到RS-232端口，但没有发送数据的场合。
　　增强型自动关断需要关注两种情况。
　　器件同时监测接收器和发送器是否有效工作。
　　将无效的引脚连接到ForceOn和ForceOff时，器件的工作状况类似于自动关断，如图11所示。

　图12. MAX3386E包含一个VL引脚，允许在混合电压系统中提供可编程的逻辑门限。
　　微型封装
　　由于绝大多数现代应用中都要求小尺寸设计，需要把IC放置在非常小的电路板区域。目前所能提供的最小封装是芯片级封装(CSP)。晶片级封装(WLCSP)设计是IC倒装在印刷电路板上；芯片的焊盘通过独立的焊球焊接到PCB上，不需要任何其它填充物(图13)。WLCSP技术不同于其它球栅阵列、引线封装和层叠CSP技术，它不需要绑定线或内部连线。WLCSP封装的优势在于IC与PCB之间的寄生电感非常小；另外，它还有助于减少封装尺寸、缩短生产时间、改善热传导特性。UCSP?是Maxim的WLCSP封装商标。

图13. 典型的14焊球WLCSP封装
　　结论
　　在过去的25年，RS-232技术随着应用需求的变化而稳步发展。Maxim的众多RS-232收发器在业内占据了重要的优势。另外，没有任何理由显示这类产品的设计已经止步不前。
　　RS-232串口通信仍将在低成本、设计简单的产品中继续发挥重要作用。在未来的应用中，低供电电压、高数据率将成为新设计的普遍要求。未来的器件设计将会集成电气隔离、过压保护等功能。我们坚信Maxim将继续保持这一领域创新设计的领导地位。

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