使用高效反激式转换器为 RS-485 收发器供电

1.前言

RS-485 是定义用于串行通信系统的驱动器和接收器的电气特性的标准。它不仅定义了单个设备到设备的接口，而且还定义了一个可以形成多个设备的简单网络的通信总线。

RS-485 运行在双绞线上，两条线的电压差定义了逻辑，RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。如图 1 所示。 RS-485 由于其简单、低成本和良好的抗噪性，被广泛应用于工厂自动化，楼宇自动化和计量应用。

图1：RS-485网络结构

2.485电源选择

RS-485的电气特性：逻辑‘’1‘’以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑‘’0‘’以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。RS-485设备的电源一般为单5V或3.3V，消耗电流在200mA以下。以 TI SN65HVD888 为例，建议电源电压在 4.5V 至 5.5V 之间。许多 RS-485 网络使用隔离的总线节点来防止意外接地回路的产生及其对信号完整性的破坏性影响。隔离总线节点通常包括总线收发器和微控制器之间的数字隔离器。它还需要一个隔离式转换器来为 SN65HVD888 供电。

适用于RS-485的电源，为5V 隔离电源要求引入了一种高效、经济高效的电路。凭借 5V 至 20V 的输入电压范围和至少 200mA 的输出电流能力，我们可以轻松地在系统板上实现该电路。

该参考设计基于使用 TPS61046 的反激式拓扑，如图 2 所示。TPS61046 是一款 28V 输出、900mA 开关电流升压转换器。如果我们愿意，可以将其替换为 TLV61046A 小外形晶体管 (SOT) 封装。

变压器支持高达 4,000V 的隔离电压。它有一个辅助绕组来检测初级侧的输出电压。理想情况下，VSEN 节点中的电压与 5V 节点中的电压几乎相同；因此，我们可以通过调节 VSEN 来调节输出电压。该方法称为“初级侧调节”。与直接在副边检测电压的方法相比，原边调节的好处是不需要光耦合器和参考电压集成电路（IC），大大降低了解决方案成本。

图 2：初级侧调节反激原理图

然而，当负载变化时，非理想变压器的漏电感会导致输出电压超出调节范围。这种漏感对于真正的变压器来说是不可避免的。优化漏电感的方法，例如更好的磁芯或特殊的绕组布置，将导致变压器成本增加。

漏电感还会导致额外的电流流入 VSEN 节点。由于 TPS61046 始终将 VSEN 调节到设定电压，因此 5V 节点上的电压将超出收发器所需的 4.5V 至 5.5V 范围。为了解决这个问题，在 VSEN 和 5V 节点中引入一个虚拟负载来吸收漏电感引起的额外电流。该虚拟负载传统上是一个固定值电阻器。但是，由于漏电感的能量随实际负载的变化而变化，因此在实际负载较小的情况下，所需的虚拟负载应较小，在大负载的情况下应较大。但是，如果负载从 0 到 200mA 变化，我们无法轻松优化固定虚拟负载以确保输出电压保持在 4.5V 到 5.5V 范围内。此外，

TPS61046 集成了省电模式功能，可在轻负载条件下降低开关频率以提高效率。在重载条件下，该器件以恒定开关频率运行。使用省电模式功能增加了一个由 R4、R5、Q1 和 D5 组成的特殊电路（如图 2 所示）来解决负载调节问题。

电路根据实际负载情况自动调整假负载。当实际负载较小时，Q1 的开关频率和导通时间较小，因此虚拟电流也较小。当实际负载增加时，Q1 的开关频率和导通时间增加，因此虚拟电流也增加。这种可自我调节的虚拟负载有助于提高负载调整率和效率。图 3 和图 4 显示了参考设计评估板中的测试数据。

图 3：不同输入电压下的负载调节

图 4：不同输入电压下的效率

除了 TPS61046，我们几乎可以使用所有升压转换器来构建隔离式反激式转换器。我们只需要根据输入电压、输出电压和输出电流以及解决方案成本选择合适的升压转换器。