ZHCAD49 September 2023 THVD8000 , THVD8010

2 什么是 Powerbus？

在比较传统 RS-485 与 Powerbus 之前，需全面了解 TI Powerbus 的理论基础。首先来了解一下 OOK 调制方案以及物理调制器和解调器，看看数据是如何编码和解码的。然后探究物理收发器以及收发器在总线上的工作方式。最后，探讨外部耦合网络及其提供的功能。

OOK 调制也称为开关键控，是幅移键控 (ASK) 的一种极其简单的形式，它表示的是存在或不存在载波信号的数字数据。在 TI 的 Powerbus 中，通过采用较低速率的数字数据传输并发送较高频率（至少是数据速率的 10 倍）的 OOK 调制信号，可以进一步实现这一点，其中载波信号的存在表示逻辑低电平（二进制值 0），载波信号的缺失表示逻辑高电平（二进制值 1）。

输入位	Powerbus OOK 输出	Powerbus OOK 输入	输出位
0	调制频率下的载波有效	调制频率下的载波有效	0
1	总线空闲 – 无有效载波	总线空闲 – 无有效载波	1

图 2-1 THVD80x0：调制和解调

通过 THVD8000 或 THVD8010 上的设置电阻来选择调制频率。THVD8000 的调制频率范围为 125kHz 至 5MHz，而 THVD8010 的调制频率范围为 125kHz 至 300kHz，但对噪声的敏感度低于 THVD8000。

图 2-2 THVD8000 调制频率与设置电阻值间的关系

OOK 信号的解调遵循与调制信号相同的逻辑，但顺序相反。解调器通过使用集成式变频带通滤波器来实现这一点，该滤波器通过与之前相同的设置电阻进行控制，以便做好充分准备，以正确的频率接收数据。其中一个重要的细微差别是变频带通滤波器的品质因数 (Q₀) 值较低，这意味着其通带较宽 – 之所以这样，是因为调制器本身对信号的载波频率有 ±25% 的容差 – 因此滤波器本身并不十分挑剔，并且在一条总线上使用多个 OOK 频率会导致通信问题，通常不建议这样做。

了解调制器和解调器后，就可以更详细地探究收发器本身。

图 2-3 THVD80x0：功能方框图

功能方框图显示 Powerbus 器件可分为三组。首先是面向数字控制台的引脚（D、MODE 和 R），用于对器件进行控制，并允许向收发器控制器传输数据以及从中接收数据。D 和 MODE 引脚是标准逻辑输入端，与传统 RS-485 器件通用的其他逻辑输入端相同：输入高电平为 2V 或更高，输入低电平为 0.8V 或更低。D 是传输的数据，MODE 是对器件的控制，其中逻辑高电平可将器件置于发送器模式，而逻辑低电平可将器件置于接收器模式。其次是调制器和解调器 – OOK 调制和解调方案物理集成到器件的这个位置，其功能如前所述。最后是面向收发器总线的实际引脚 A 和 B。除了输入阈值（由于调制方案的原因）外，该前端的所有其他方面均符合 RS-485 标准。因此它不会对传统 RS-485 总线产生负面影响，但它无法与线路上的其他器件通信。

外部耦合网络可以说是 Powerbus 设计中最重要的方面之一，因为它允许在同一条总线上传输电力和数据。

图 2-4 THVD80X0 简化版原理图（图中所示为 THVD8010）

每个节点的耦合网络均由 2 个电容器和 2 个电感器组成。在 THVD80X0 简化版原理图（图中所示为 THVD8010）中，C1、C2、L1 和 L2 表示第一个 THVD8010 的耦合网络，而 L3、L4、C3 和 C4 表示第二个 THVD8010 的耦合网络。概括来说，共享总线背后的理念是频分多址 (FDMA)，其中数据信号的频率远高于电源信号的频率（电源信号频率要么为 0Hz（直流），要么为低频交流 (50Hz–60Hz)），并且每个目标器件的预期负载都可以滤除无用信号。实际上，这意味着网络中的电容器对 THVD8000 或 THVD8010 应具有低阻抗，但对电源信号应具有高阻抗，从而使收发器仅与数据信号本身交互。相反，电感器必须对电源信号具有低阻抗，这样电源信号在通过时才不会有太大的衰减；而对 OOK 数据信号具有高阻抗，以防止收发器过载并帮助防止电源或负载上的噪声。假设电源和电源负载具有大容量电容，以帮助为 OOK 信号创建交流接地 – 使用交流电源（而不是更简单的直流电源）时，这是一个重要的考虑因素。电容器和电感器的大小根据以下公式确定，这些公式假定系统已正确端接（两个 120Ω 终端，每个终端节点各一个）。

方程式 1.

C_{m i n} = \frac{1}{2 \times π \times f_{m o d} \times 5 Ω}

方程式 2.

L_{M i n} = \frac{1}{(\frac{1}{375 Ω} - \frac{N}{R_{i n}}) \times \frac{2 \times π \times f_{m o d}}{N}}

电容器的大小设定为每个节点上的最小允许电容在调制频率下为 5Ω。如果不遵循此过程，数据信号的衰减会更大。该值可以低于 5Ω，但不能高于 5Ω。

电感器设置每个所用电感器的最小有效电感值（例如，如果有 2 个节点和 4 个电感器，则每个节点和电感器至少需要 L_min）。N 是同一总线上其他 Powerbus 节点的数量。在 N 值较小的情况下，电感值不会受到收发器负载的影响，但随着 N 的增大，它将成为计算的重要部分。这样一来，总线的共模负载就等于或大于 375Ω，这相当于 32 个单位负载的近似共模负载，即 RS-485 允许的最大值。该公式仅给出有效电感（因为电源电流会导致降额），确保运行期间有效电感处于这一电平至关重要。其他电感器参数取决于电源系统需求，而不是 THVD8000 或 THVD8010 的需求。

耦合网络最终用作滤波器，而调制方案是一种可在与电源信号相同的线路上进行可靠通信的方案。THVD8000 或 THVD8010 的运行不需要该网络，但需要该网络来保护自身免受潜在破坏性电源信号的影响，并防止总线过载。

这份关于 Powerbus 可能的修改的列表并非详尽无遗，但确实显示了标准 Powerbus 应用背后的基本设计原理。