如何计算高速 RS－485 收发器的功率损耗

RS-485 接口因其稳健性和长距离通信能力而广泛用于工业应用。自 RS-485 标准于 1998 年推向市场以来，电子系统的尺寸和复杂性不断增加。许多终端设备（例如电机驱动器、PLC 和工业 PC）现在都需要高速 (>10Mbps) 通信。TI 的 THVD1550 是新款 TI RS-485 收发器，可支持高达 50Mbps 的数据速率。在本文中，我将向您展示如何评估 THVD1550 在这种高速传输下的功率耗散。这样，您可以了解功率消耗情况并评估系统的热性能。

要计算功率损耗，您可以将功率分成几个部分。成功评估每个部分后，将所有部分相加可得到总功率。当器件在没有外部负载的情况下上电时，该集成电路 (IC) 本身会消耗功率。如果您在其输出引脚上添加负载，该器件会提供驱动负载的功率。由于 RS-485 具有差分信号，负载通常加在 A 和 B 引脚之间。

进一步研究负载，您可以将负载分为两种类型：阻性和容性。阻性负载本身会消耗一些功率，而容性负载仅在其极板之间传输能量，无任何能量损失。由于每种类型的特性不同，功率计算方式有所不同。

图 1 是三种类型的功率耗散图。

图 1：典型 RS-485 收发器的电流流动

PDic（蓝色）是器件自身消耗的功率。PDdc（红色）是来自阻性负载的功率，PDac（绿色）是来自容性负载的功率。总功率是所有这三个部分的总和，使用公式 1 计算得出。 



要计算 PDic，您可以使用数据表中的静态电源电流值 Icc。THVD1550 中的典型值为 700μA。（在本文中，我将使用典型值；例如，Vcc 为 5V。）根据电压和电流值，可以使用公式 2 计算器件功率。 



如果在总线上放置阻性负载，驱动器会在阻性负载上产生电压 (Vod)。RS-485 标准要求 54Ω 电阻上的 Vod 为 1.5V。在典型情况下，THVD1550 的驱动器在 54Ω 上产生 2.7V，这意味着器件电流为 50mA。

这里重要的是，您需要区分负载的功率耗散和器件的功率。要了解器件的热性能，只需关注器件的功率。因此，公式 3 从电源总功率 (Vcc*I) 中减去负载功率 (I2*R)：



下面，我们来看看开关功率，即驱动容性负载所需的功率。为了简化计算，将差分电容器分成两个接地的单端电容器（图 2）。

图 2：典型 RS-485 收发器的等效容性负载

每个电容器上的信号幅度为 Vod，频率为数据速率的一半（图 3）。尽管 A 和 B 引脚上的电压相反，但它们消耗的功率相同。

图 3：RS-485 收发器输出引脚的信号

在这里，您还需要考虑器件的寄生电容。在一些数据表中，它被称为 Cod。我们取 SN65HVD82 的典型值 8pF。假设负载电容为 50pF。现在，图 2 中每个电容器 C 的容值是 50pF + 8pF 之和。开关功率与频率和振幅有关。在每次充电期间，从电源消耗的能量等于公式 4：



其中 Vc 是电容器上的电压。

在每一时刻，流过电容器的瞬时电流为 C(dVc/dt)。您可以对一段时间内的瞬时功率进行积分，得出为电容器充电所需的能量。因此，可通过公式 5 计算驱动容性负载的功率：



在得出所有三个部分耗散的功率值后，公式 6 可计算出总功率为：



在 THVD1550 数据表的第 7.5 节中，表格显示了器件功率耗散的测试数据，其中电源电压为 5.5V，温度为 125°C，数据速率为 50Mbps，这是一种坏情况。这些值包括一些非理想因素，如直通电流，因此可用于评估系统设计中器件的功率耗散。