RS-232收发器的发展过程回顾

　　引言

　　在过去的25年，为了满足RS-232的发展对RS-232收发器进行了多次修改。这些创新设计包括：集成电荷泵、高ESD保护、自动关断(AutoShutdown™)、3.3V单电源供电、宽带、电平转换等，封装尺寸也在不断缩小。这些改进增强了器件功能，有助于简化RS-232接口设计，减少器件数量，节省电路板面积。作为RS-232收发器产品的领导者，Maxim Integrated Products推出了超过158种具有增值功能的RS-232器件，以满足广泛的应用需求。

　　本应用笔记回顾了RS-232收发器的关键功能，从其发展过程看，RS-232收发器的演变也反映了串口通信的发展需求。

　　背景

　　EIA/TIA-232-E标准于1962年发布，此后进行了4次修改，以满足不断变化的串口通信要求。EIA/TIA-232-E标准的官方名称是“数据终端设备(DTE)与数据电路端设备(CTE)之间串行交换二进制数据的接口”，可以简单地定义为：主机系统(DTE)与外设系统(CTE)之间的串行数据通信(图1)。

　　图1. DTE至DCE系统框图，电路采用MAX214收发器，显示两台PC的DTE与DCE之间的连接。

　　应用历史

　　历史上，RS-232串行通信常常用于连接计算机和外围设备，比如：调制解调器、打印机、键盘、游戏手柄、鼠标等。近几年，大部分这类应用已经转为通用串行总线(USB)等其它通信协议。

　　现在，RS-232串行通信主要用于GPS、POS、血糖仪、条形码扫描仪、汽车数据通信设备、机顶盒、游戏机等需要低成本、低速率(低于1Mbps)的通信系统。

　　RS-232 IC的演进过程

　　虽然RS-232收发器设计经历了重大演进，但在当前应用中，工程师仍然使用RS-232协议。从图2可以看出RS-232的创新进程，我们将在后续章节逐一讨论。

　　图2. RS-232收发器的发展进程

　　集成电荷泵

　　最初的RS-232 IC需要采用双电源(+15V和-15V)供电，以支持RS-232发送器的正、负输出摆幅(请参考图3 ，通道1)。而大多数系统只提供一个电源，这就需要外部电荷泵对单电源进行倍压，然后再进行反相。二十世纪八十年代，Maxim率先将电荷泵集成到RS-232收发器内，创造出首款单电源供电的RS-232 IC MAX232。这是最早推出的能够对电源电压进行倍压、反相转换，支持RS-232发送器电路的RS-232收发器。

　　图3. RS-232信号，通道1为发送器输出的总线信号;通道2为接收器的逻辑输出信号。

　　在随后推出的产品中，例如MAX3232，EIA-232电平被定义成为5kΩ负载提供±5V驱动。利用新的低压差输出技术，Maxim推出了内置电荷泵、可提供稳定的±5.5V输出的RS-232收发器。这种设计允许收发器以最小的电源电流提供兼容于RS-232的输出电平。

　　集成电荷泵如何工作呢? 第一个电荷泵的工作类似于倍压器，如果忽略少量损耗，该电荷泵能够把5V电源电压转换成+10V;第二个电荷泵配置成反相器，将+10V电压转成-10V，当然实际应用会存在少量损耗。所产生的±10V电源用于RS-232发送器供电。

　　较高的ESD保护

　　任何RS-232器件都会在所有引脚提供静电放电(ESD)保护能力(典型值为±2kV)，避免器件处理、装配过程中受到ESD冲击而损坏。由于手持设备和便携设备采用RS-232串行通信，这类应用需要更高的ESD保护能力，以承受人体模式的静电冲击(HBM，工业标准要求高于±2kV的ESD保护)。Maxim提供的具有ESD保护的RS-232收发器均在RS-232发送器输出和接收器输入引脚集成了±15kV人体模式的ESD保护。有些器件，比如MAX3238E，在RS-232总线和CMOS引脚提供±15kV的ESD保护。

　　具有±15kV ESD保护的RS-232器件通常与标准的RS-232器件具有相同的引脚和功能，无需更改电路板布线即可替换器件。例如，MAX3232与MAX3232E具有相同引脚排列、封装类型和功能。

　　低压工作

　　从历史上看，RS-232兼容器件最少需要两路供电电压，一路大于+5V，一路小于(更负) -5V，这两路电源用于支持发送器提供至少±5V的输出摆幅。图4所示波形中，如果系统可以提供±12V电源，则可满足这一输出电平的需求。而目前绝大多数系统中都不具备±12V (或其它电压)电源，为了采用单电源提供两路供电电压，Maxim公司开发了众多内置电源转换器的收发器。

　　图4. RS-232输出电平摆幅

　　以下内容讨论了各种双电源供电的特殊需求。

　　3.0V至5.5V单电源供电

　　虽然大部分RS-232系统采用5V单电源供电，但越来越多的应用要求器件工作在3.3V电源。在3.3V单电源供电系统中，器件工作在3.3V非常重要，同时也要求RS-232器件能够兼容于3V逻辑接口。采用类似于5V单电源供电器件的技术，Maxim推出了能够工作在3.0V至5.5V单电源的收发器产品。

　　与单5V供电的RS-232收发器相同，采用3.0V至5.5V单电源供电的器件同样集成了两路电荷泵电源。这类RS-232器件由于采用了低压差发送器，在采用低至±5.5V的电荷泵电源供电时能够满足±5V最小摆幅的要求。因此，这些器件工作在3V单电源时仍然兼容于RS-232规范。虽然这类产品可以工作在最低3.0V，但也可以工作在最高5.5V电压，即同一器件可以支持3.3V和5V设计。图5所示为MAX3232E工作在3.3V至5V的RS-232器件。

　　图5. MAX3232E RS-232收发器内置电荷泵，可以工作在3.3V至5V单电源。

　　2.7V至3.6V单电源供电

　　为了使器件在低于3.0V供电时仍然兼容于RS-232规范，电荷泵倍压和反相将无法实现这一目标。图6所示MAX3212采用基于电感的转换器产生±6.5V，以满足发送器的需求。利用buck转换器拓扑，器件可以工作在2.7V至3.6V单电源。

　　图6. MAX3212集成buck转换器，允许器件采用2.7V至3.6V单电源供电。

　　1.8V至4.25V单电源供电

　　MAX3218 (图7所示)采用混合架构解决供电问题，通过基于电感的转换器产生+6.5V电压，然后利用电荷泵产生-6.5V电压。基于这种技术，器件可以工作在1.8V至4.25V单电源。如此宽的电源输入范围，使MAX3218能够理想用于电池供电系统。

　　图7. MAX3218采用基于电感的升压转换器，并利用电荷泵产生反相电压，器件可采用1.8V至4.25V单电源供电。

　　自动关断(AutoShutdown)

　　许多RS-232器件仅仅工作很短一段时间，例如：血糖仪，大部分时间不会使用RS-232端口。如果没有使用RS-232端口，最好将RS-232器件置于低功耗关断状态以节省电能。

　　自动关断是系统的一个省电模式，如果监测到RS-232接口没有使用，则将RS-232器件置于低功耗关断状态。自动关断的重要意义在于它不需要处理器介入，无需软件处理即可达到省电的目的。

　　自动关断监控器检测RS-232的接收器，如果连接到其它RS-232器件，接收器侧可以检测到低于-3V或高于+3V的有效RS-232信号。如果没有任何连接，接收器电压通常为地电位，如果自动关断功能检测到所有接收器电压处于-0.3V至+0.3V之间，持续时间达到30µs以上，则判断为没有连接有效的发送器，器件将自动进入低功耗状态，请参考图8和图10。如果任意一路接收器输入超过+2.7V或低于-2.7V，收发器将自动脱离低功耗状态，请参考图9和图10