如何計算高速RS-485收發器的功率損耗

RS-485 接口因其穩健性和長距離通信能力而廣泛用于工業應用。自 RS-485 標準于 1998 年推向市場以來，電子系統的尺寸和復雜性不斷增加。許多終端設備（例如電機驅動器、PLC 和工業 PC）現在都需要高速 (>10Mbps) 通信。TI 的 THVD1550 是新款 TI RS-485 收發器，可支持高達 50Mbps 的數據速率。在本文中，我將向您展示如何評估 THVD1550 在這種高速傳輸下的功率耗散。這樣，您可以了解功率消耗情況并評估系統的熱性能。

要計算功率損耗，您可以將功率分成幾個部分。成功評估每個部分后，將所有部分相加可得到總功率。當器件在沒有外部負載的情況下上電時，該集成電路 (IC) 本身會消耗功率。如果您在其輸出引腳上添加負載，該器件會提供驅動負載的功率。由于 RS-485 具有差分信號，負載通常加在 A 和 B 引腳之間。

進一步研究負載，您可以將負載分為兩種類型：阻性和容性。阻性負載本身會消耗一些功率，而容性負載僅在其極板之間傳輸能量，無任何能量損失。由于每種類型的特性不同，功率計算方式有所不同。

圖 1 是三種類型的功率耗散圖。

圖 1：典型 RS-485 收發器的電流流動

PDic（藍色）是器件自身消耗的功率。PDdc（紅色）是來自阻性負載的功率，PDac（綠色）是來自容性負載的功率。總功率是所有這三個部分的總和，使用公式 1 計算得出。 

要計算 PDic，您可以使用數據表中的靜態電源電流值 Icc。THVD1550 中的典型值為 700μA。（在本文中，我將使用典型值；例如，Vcc 為 5V。）根據電壓和電流值，可以使用公式 2 計算器件功率。 

如果在總線上放置阻性負載，驅動器會在阻性負載上產生電壓 (Vod)。RS-485 標準要求 54Ω 電阻上的最小 Vod 為 1.5V。在典型情況下，THVD1550 的驅動器在 54Ω 上產生 2.7V，這意味著器件電流為 50mA。

這里重要的是，您需要區分負載的功率耗散和器件的功率。要了解器件的熱性能，只需關注器件的功率。因此，公式 3 從電源總功率 (Vcc*I) 中減去負載功率 (I2*R)：

下面，我們來看看開關功率，即驅動容性負載所需的功率。為了簡化計算，將差分電容器分成兩個接地的單端電容器（圖 2）。

圖 2：典型 RS-485 收發器的等效容性負載

每個電容器上的信號幅度為 Vod，頻率為數據速率的一半（圖 3）。盡管 A 和 B 引腳上的電壓相反，但它們消耗的功率相同。

圖 3：RS-485 收發器輸出引腳的信號

在這里，您還需要考慮器件的寄生電容。在一些數據表中，它被稱為 Cod。我們取 SN65HVD82 的典型值 8pF。假設負載電容為 50pF。現在，圖 2 中每個電容器 C 的容值是 50pF + 8pF 之和。開關功率與頻率和振幅有關。在每次充電期間，從電源消耗的能量等于公式 4：

其中 Vc 是電容器上的電壓。

在每一時刻，流過電容器的瞬時電流為 C(dVc/dt)。您可以對一段時間內的瞬時功率進行積分，得出為電容器充電所需的能量。因此，可通過公式 5 計算驅動容性負載的功率：

在得出所有三個部分耗散的功率值后，公式 6 可計算出總功率為：

在 THVD1550 數據表的第 7.5 節中，表格顯示了器件功率耗散的測試數據，其中電源電壓為 5.5V，溫度為 125°C，數據速率為 50Mbps，這是一種最壞情況。這些值包括一些非理想因素，如直通電流，因此可用于評估系統設計中器件的最大功率耗散。