4 组合系统指南

了解传统 RS-485 与 Powerbus 之间的基本差异后，我们发现器件无法相互通信，但如果器件之间确实能够进行通信，也不会直接对彼此造成损害。然而，这使工厂和/或楼宇自动化用例中的大型通信节点网络的设计人员面临独特难题，在这些用例中，设计人员可能无法完全控制系统中的每个节点，但 Powerbus 可将布线成本减半，从而有助于大幅降低系统的总成本。在过去，这意味着，设计人员会在他们能够完全控制网络的内部工程中实现 Powerbus，在无法完全控制网络时则实现传统 RS-485，同时不得不向客户建议更昂贵的解决方案，直到其他节点的设计人员决定使用 Powerbus 以大幅降低实现成本（如果他们真的这样做的话）。这就造成了这样一种情况，即需要设计多块电路板来满足多个特定需求，并且将系统从传统 RS-485 升级到 Powerbus 将需要全新的电路板设计。不过，还有一种更快捷的方法，那就是设计一块两用电路板，经过配置后，既可用作 Powerbus，也可用作传统 RS-485。本应用手册的其余部分将介绍原始设计参数、原理图设计，最后介绍通用板外观的拟议布局，以及追求此类应用的好处和利弊权衡。

Powerbus 在设计上非常灵活。为了能够举例说明，已将设计参数调整为满足以下要求。

使用第 1 节的公式，可得到以下结果。最小串联电容为 6.4nF – 因此，任何 6.4nF 或更大的电容都可以正常工作，所以本设计将选用 1µF 电容器。为避免因电压问题而导致过多降额，应选择 50V 至 100V 陶瓷电容器 – 一般来说，电容器两端的最大电压乘以 2 是一个很好的电压额定值，这样才能避免陶瓷电容器的降额。需要注意的一点是，无论直流系统中的调制频率如何，255nF 或更大的电容器均可在任何 Powerbus 应用中正常运行 - 在交流系统中，由于交流信号将通过串联电容器进行传导，因此电容值的重要性要高得多。每个节点的最小有效电感（由于有 4 个节点，因此需要 8 个电感器）为 48.5µH，这是每个电源节点连接的有效电感。务必要考虑电感器的饱和电流，因为根据电感器制造商的不同，饱和电流是将电感降低标称值的 10%、20% 或 30% 所需的电流 – 因此，虽然电源电流对 Powerbus 器件无关紧要，但对耦合网络的电感器部分却很重要。讨论了 Powerbus 参数之后，现在就可以对联合原理图设计进行分析了。

传统 RS-485 系统设计比 Powerbus 简单得多，因此，该联合原理图适用于任何采用 8 引脚 SOIC 封装的器件，这种封装是半双工 RS-485 收发器的常见封装。这种组合设计可分为三个不同的部分：电源连接、单端 I/O 和直接收发器接口。

图 4-1 通用电源输入原理图

对于器件 VCC，电源连接本身包含两个端子块/测试点输入；对于 Powerbus，主电源线将包含共享总线上的一半信号。它们的结构相同，都是一个简单的三脚输入端（带电、中性/GND 和 EARTH/机箱连接），其中 J1 用于器件 VCC，J2 用于更高功率信号。它们在电源正极和负极端子之间均存在大容量电容，您还可以选择在电源负极端子和 EARTH/机箱连接之间添加额外电容。器件 VCC 不需要大容量电容，但假设 Powerbus 器件在电源和负载上存在大容量电容。电容值可根据具体用例而变化。此外，还可在 GND 和 EARTH 之间添加一个电阻，以减少接地环路电流，从而降低出现噪声问题的风险。除了电源输入，还有另外两个特性：器件 VCC 的 LED 指示灯，以及 GND 和 EARTH 之间的分流器（如果系统中不存在接地连接）。根据具体用例确定连接方式。

图 4-2 通用单端 I/O 原理图

介绍完电源连接后，接下来要关注的是单端 I/O。幸运的是，如前所述，无论是传统 RS-485 还是 Powerbus，D 和 R 引脚的功能均相同。在大多数用例中，R 和 D 可直接连接到有线通信子系统的控制器 – 无论负载情况如何，均可使用上拉和下拉电阻。上面连接到 J3 的 R 引脚可选择上拉、下拉和/或容性负载（常见用例是采用上拉电阻和容性负载，以便空闲状态始终读为“高电平”），这在 UART 协议中很常见。连接到 J8 的 D 引脚显示了采用上拉电阻的情况，用于确保在启动时达到保证的电平。妥善做法始终是在逻辑输入端设定一个预定义的“默认”状态，以防止输出端出现毛刺脉冲，但不一定是上拉电阻，也可以是下拉电阻。组合电路板上更多地涉及到其他两个信号。首先看看连接到 J7 的 DE 信号，需要注意的是，该输入仅用于传统 RS-485 子系统，因为 Powerbus 器件没有 DE 引脚。最后，J6 上的“MODE”输入将根据使用的应用类型来更改其运行方式。在 Powerbus 应用中，J6 的输入将用于切换收发器的模式（RX（逻辑低电平）或 TX（逻辑高电平）），而在传统 RS-485 中，该输入用于打开（逻辑低电平）或关闭（逻辑高电平）接收器。

图 4-3 传统 RS-485 + Powerbus 接口原理图

最后，传统 RS-485 与 Powerbus 组合的最重要方面是收发器本身。这可分为三个部分：电源连接、单端输入（面向控制器的引脚）和面向差分总线的引脚。

前面已大致介绍过电源引脚，唯一的调整是需要在靠近 IC VCC 引脚的位置至少添加 100nF 的去耦电容 – THVD8000/THVD8010 和大多数其他现代 RS-485 器件都是如此（对于较旧的器件，可能建议使用较大的电容器，比如 1µF 电容器，但大多数现代器件的电容将为 100nF）– 由于电路板有两种不同的 IC 封装尺寸，因此使用了两个 100nF 电容器，每个器件 VCC 各一个。

接下来是单端信号，前面也已大致介绍过。然而，对于传统 RS-485 和 Powerbus 之间的 MODE、DE 和 F_SET 引脚，有一个重要的考虑因素。Mode 信号的输入将指向 THVD8000/THVD8010 的 MODE 引脚和传统 RS-485 器件的 /RE 引脚。在传统 RS-485 器件将 DE 和/或 RE 短接在一起的应用中，可以添加电阻 R9 和 R14，以在这些引脚之间形成短路。在 Powerbus 模式下使用此功能时，应移除电阻 R9 和 R14，因为 Powerbus 中不存在 DE，并且对于 Powerbus 应用，F_SET 上没有直接输入。那么还剩下 F_SET 引脚，该引脚在传统 RS-485 系统中未使用，但在 Powerbus 应用中将通过向器件 GND 放置一个电阻来加以利用，所选电阻 R13 的值可将调制频率设置为 5MHz。

最后，可以讨论总线引脚。理想情况下，传统 RS-485 在系统中的 A 和 B 之间有两个终端（每个 120Ω），其他电路元件只有保护二极管、EMI 降低电阻和/或偏置电阻；而 Powerbus 则不仅有这些元件，还有耦合网络需要应对。您可能注意到的第一个问题是，传统 RS-485 收发器在通过串联电容通信时会遇到麻烦；虽然从技术上可以做到这一点，但通常需要一种编码方案，这种方案会降低系统的总体吞吐量，同时增加数据传输的复杂性。为了解决这个潜在的问题，该电路板提供了电阻串联或电容串联选项。在 Powerbus 中，需要安装电容器，而不会安装 0Ω 链路；而对于传统 RS-485，反之亦然。下一个主要关注点是电感耦合 – 从技术角度讲，RS-485 标准并未明确禁止对“交流”接地基准的共模电感，但该标准中提到了对地的最小共模阻抗。同样，该值约为 375Ω。由于电感器的阻抗基于频率，并且在没有额外编码方案的情况下，无法保证未调制 RS-485 数据流的基频分量能保持正确的频率以防止总线过载，这将导致传统 RS-485 和 Powerbus 之间的总线负载不匹配。要解决这个问题，只需在需要 Powerbus 时为电感器保留焊盘，而在其他情况下不安装焊盘即可。其他元件主要包括建议用于传统 RS-485 和 Powerbus 的元件 – 包括分裂终端、保护二极管，以及使用传统 RS-485 时可在传统 RS-485 和 Powerbus 连接之间实现的电阻链路。

了解原理图以及在何种情况下如何使用后，就可以构建可能的布局。

图 4-4 示例布局 - 顶层

图 4-5 IC PWR、IO、差分总线和高功率接口布局特写

图 4-6 示例布局 - 底层

图 4-7 示例布局 - 层堆叠

该布局采用 4 层电路板，将器件 VCC 和 GND 保留在电路板内部以便于布线 – 这不是必需的，但可以使布局更简单。

有了布局和原理图，半通用板就制作完成了。这样做的好处是可对多个系统进行统一设计。需要重点权衡的是解决方案尺寸与 Powerbus 可变性。传统 RS-485 由于缺少电感器，通常会提供较小的解决方案尺寸。在空间受限的应用中，很可能需要采用一种纯传统 RS-485 方法。另一个需要重点权衡的是电源总线的需求 – 电感值和尺寸可能因应用或终端设备的需求不同而存在显著差异 – 对于真正的通用板，应在 125KHz 调制频率下按 256 个节点选择电感器，并考虑最坏情况下的电源电流 – 因为这种电路板适用于任何电源总线应用，但由于电感值较大，其解决方案的尺寸也非常大。