Powerbus 与传统 RS-485 有何不同？Powerbus 采用与具有相似电气特性的标准 RS-485 器件相同的面向总线架构，与传统 RS-485 具有许多相同的特性。但是，即使这两项标准之间有很多相似之处，它们也无法相互通信。本节将指导最终用户辨别这些同类器件之间的异同。

图 3-1 Powerbus 标准引脚排列

图 3-2 适用于 8 引脚半双工 RS-485 收发器的标准引脚排列

由于传统 RS-485 与 Powerbus 具有类似的面向总线架构以及类似的面向控制器架构，因此这两项标准有一些共性。研究控制器侧引脚，可以发现，有两个引脚在这两项标准之间具有等效功能，即“D”引脚和“R”引脚。当接收器处于运行状态时，R 向控制器发送单端数据信号，反之则发送高阻态信号；而 D 则将单端数据传输到差分总线上。大多数传统 RS-485 与 Powerbus 之间的标准 VIH（最小值）为 2V，VIL（最大值）为 0.8V。

如果 THVD8000 上的 Mode 引脚与 /RE 和 DE 引脚短接在一起，则这两个引脚等效。MODE 的逻辑低电平 = RX 模式下的 THVD80X0，MODE 的逻辑高电平 = TX 模式下的 THVD80X0。所有这些引脚使控制器能够确定数据流是流向控制器还是流出控制器。主要区别在于，THVD80X0 不具有真正的禁用状态，因为 MODE 引脚仅允许两种不同但处于工作状态的模式，而具有使能功能的传统 RS-485 则允许器件在 VCC 电平有效时进入关断/禁用模式。应该注意的是，使能功能并未在 RS-485 标准中明确定义，但在许多 RS-485 器件中十分常见，而 Powerbus 系列采用了一种不太标准的控制方法来允许在 F_SET 引脚中实现额外功能。F_SET 引脚用于通过接地电阻设置调制频率 – 为了在 RS-485 通用的典型 8 引脚封装中保留 Powerbus，必须将控制引脚移至单个控制引脚中。

上述相似之处并不仅限于面向控制台的引脚。电源引脚是等效的，但更有意思的是，面向总线的引脚也是如此。总线接口将符合所有 RS-485 要求的规格，只有 1 项除外，即差分输入阈值。Powerbus 器件具有与 1/8 单位负载器件相同的驱动强度和负载能力，具有共模输入电压范围和短路电流限制（这里仅举几个关键规格）。归根结底，这意味着 THVD80X0 系列器件如果放置在标准 RS-485 总线上，在正常工作条件下不会造成损坏，也不会造成接收器损坏。由于 Powerbus 无法在不切断器件电源的情况下禁用收发器，因此如果在一块电路板上同时使用两种器件，可能需要采用外部分离方法。

如前所述，Powerbus 不符合 RS-485 标准的一项规格是输入阈值。这主要是由于 THVD80X0 系列器件采用了调制方案。在传统 RS-485 中，-200mV 及以下是逻辑低电平，200mV 或更高电压是逻辑高电平 - 这是输入阈值的基线。Powerbus 器件不能使用此逻辑，因为逻辑高电平在理想情况下为 0V，而逻辑低电平将在正值和负值之间交替。这意味着，对于没有集成式失效防护的旧版 RS-485 系统，如果 THVD8000 发送逻辑 1，则传统 RS-485 器件会将其读作未定义。如果 RS-485 系统使用带有集成式失效防护的现代收发器，那么逻辑 1 实际上会被读作 1，因为在更现代的器件上，0V 被读作逻辑 1。但是，在旧版和现代 RS-485 收发器上，如果从 THVD8000 发送逻辑 0，则传统 RS-485 收发器会将其读作数据速率为 2 倍调制频率的交替位模式。假设收发器的额定数据速率更高，则读取的数据将不正确。如果将此实验翻转至 THVD80X0 器件接收数据的位置 – THVD80X0 系列器件不仅能检测信号幅度，还能通过带通滤波器传递信号 – 因此，数据信号要么看起来像一串实实在在的 0，要么由于内部带通滤波器对信号进行了抑制，所以就像什么也没传输一样。可以这样认为，Powerbus 器件和传统 RS-485 虽然非常相似，但语言却不通，因此无法相互通信。

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。

• 德州仪器 (TI)，RS-485 设计指南 应用手册。
• 德州仪器 (TI)，THVD24x0 具有 IEC ESD 保护功能的 ±70V 故障保护 3.3V 至 5V RS-485 收发器数据表
• 德州仪器 (TI)，THVD24xxV 具有灵活的 I/O 电源和 IEC ESD 保护功能的 ±70V 故障保护、3V 至 5.5V RS-485 收发器 数据表
• 德州仪器 (TI)，THVD8000 设计指南应用手册。
• 德州仪器 (TI)，THVD8000 EVM 用户指南。
• 德州仪器 (TI)，THVD8000 具有 OOK 调制功能、适用于电力线通信的 RS-485 收发器数据表。
• 德州仪器 (TI)，THVD8010 具有 OOK 调制功能、适用于电力线通信的 RS-485 收发器数据表。