摘要：將RS-232收發器集成到RS-232設計已經經歷了20多年的歷史。本應用筆記回顧了RS-232收發器的發展過程，對每一進程的技術優勢以及帶給用戶的益處進行了詳細說明。以業內領先的Maxim器件為示例介紹RS-232收發器的演變。

　　引言

　　在過去的25年，為了滿足RS-232的發展對RS-232收發器進行了多次修改。這些創新設計包括：集成電荷泵、高ESD保護、自動關斷(AutoShutdown?)、3.3V單電源供電、寬帶、電平轉換等，封裝尺寸也在不斷縮小。這些改進增強了器件功能，有助于簡化RS-232接口設計，減少器件數量，節省電路板面積。作為RS-232收發器產品的領導者，Maxim Integrated Products推出了超過158種具有增值功能的RS-232器件，以滿足廣泛的應用需求。

　　本應用筆記回顧了RS-232收發器的關鍵功能，從其發展過程看，RS-232收發器的演變也反映了串口通信的發展需求。

　　背景

　　EIA/TIA-232-E標準于1962年發布，此后進行了4次修改，以滿足不斷變化的串口通信要求。EIA/TIA-232-E標準的官方名稱是“數據終端設備(DTE)與數據電路端設備(CTE)之間串行交換二進制數據的接口”，可以簡單地定義為：主機系統(DTE)與外設系統(CTE)之間的串行數據通信(圖1)。

　　圖1. DTE至DCE系統框圖，電路采用MAX214收發器，顯示兩臺PC的DTE與DCE之間的連接。

　　應用歷史

　　歷史上，RS-232串行通信常常用于連接計算機和外圍設備，比如：調制解調器、打印機、鍵盤、游戲手柄、鼠標等。近幾年，大部分這類應用已經轉為通用串行總線(USB)等其它通信協議。

　　現在，RS-232串行通信主要用于GPS、POS、血糖儀、條形碼掃描儀、汽車數據通信設備、機頂盒、游戲機等需要低成本、低速率(低于1Mbps)的通信系統。

　　RS-232 IC的演進過程

　　雖然RS-232收發器設計經歷了重大演進，但在當前應用中，工程師仍然使用RS-232協議。從圖2可以看出RS-232的創新進程，我們將在后續章節逐一討論。

　　圖2. RS-232收發器的發展進程

　　集成電荷泵

　　最初的RS-232 IC需要采用雙電源(+15V和-15V)供電，以支持RS-232發送器的正、負輸出擺幅(請參考圖3 ，通道1)。而大多數系統只提供一個電源，這就需要外部電荷泵對單電源進行倍壓，然后再進行反相。二十世紀八十年代，Maxim率先將電荷泵集成到RS-232收發器內，創造出首款單電源供電的RS-232 IC MAX232。這是最早推出的能夠對電源電壓進行倍壓、反相轉換，支持RS-232發送器電路的RS-232收發器。

　　圖3. RS-232信號，通道1為發送器輸出的總線信號;通道2為接收器的邏輯輸出信號。

　　在隨后推出的產品中，例如MAX3232，EIA-232電平被定義成為5kΩ負載提供±5V驅動。利用新的低壓差輸出技術，Maxim推出了內置電荷泵、可提供穩定的±5.5V輸出的RS-232收發器。這種設計允許收發器以最小的電源電流提供兼容于RS-232的輸出電平。

　　集成電荷泵如何工作呢? 第一個電荷泵的工作類似于倍壓器，如果忽略少量損耗，該電荷泵能夠把5V電源電壓轉換成+10V;第二個電荷泵配置成反相器，將+10V電壓轉成-10V，當然實際應用會存在少量損耗。所產生的±10V電源用于RS-232發送器供電。

　　較高的ESD保護

　　任何RS-232器件都會在所有引腳提供靜電放電(ESD)保護能力(典型值為±2kV)，避免器件處理、裝配過程中受到ESD沖擊而損壞。由于手持設備和便攜設備采用RS-232串行通信，這類應用需要更高的ESD保護能力，以承受人體模式的靜電沖擊(HBM，工業標準要求高于±2kV的ESD保護)。Maxim提供的具有ESD保護的RS-232收發器均在RS-232發送器輸出和接收器輸入引腳集成了±15kV人體模式的ESD保護。有些器件，比如MAX3238E，在RS-232總線和CMOS引腳提供±15kV的ESD保護。

　　具有±15kV ESD保護的RS-232器件通常與標準的RS-232器件具有相同的引腳和功能，無需更改電路板布線即可替換器件。例如，MAX3232與MAX3232E具有相同引腳排列、封裝類型和功能。

　　低壓工作

　　從歷史上看，RS-232兼容器件最少需要兩路供電電壓，一路大于+5V，一路小于(更負) -5V，這兩路電源用于支持發送器提供至少±5V的輸出擺幅。圖4所示波形中，如果系統可以提供±12V電源，則可滿足這一輸出電平的需求。而目前絕大多數系統中都不具備±12V (或其它電壓)電源，為了采用單電源提供兩路供電電壓，Maxim公司開發了眾多內置電源轉換器的收發器。

　　圖4. RS-232輸出電平擺幅

　　以下內容討論了各種雙電源供電的特殊需求。

　　3.0V至5.5V單電源供電

　　雖然大部分RS-232系統采用5V單電源供電，但越來越多的應用要求器件工作在3.3V電源。在3.3V單電源供電系統中，器件工作在3.3V非常重要，同時也要求RS-232器件能夠兼容于3V邏輯接口。采用類似于5V單電源供電器件的技術，Maxim推出了能夠工作在3.0V至5.5V單電源的收發器產品。

　　與單5V供電的RS-232收發器相同，采用3.0V至5.5V單電源供電的器件同樣集成了兩路電荷泵電源。這類RS-232器件由于采用了低壓差發送器，在采用低至±5.5V的電荷泵電源供電時能夠滿足±5V最小擺幅的要求。因此，這些器件工作在3V單電源時仍然兼容于RS-232規范。雖然這類產品可以工作在最低3.0V，但也可以工作在最高5.5V電壓，即同一器件可以支持3.3V和5V設計。圖5所示為MAX3232E工作在3.3V至5V的RS-232器件。

　　圖5. MAX3232E RS-232收發器內置電荷泵，可以工作在3.3V至5V單電源。

　　2.7V至3.6V單電源供電

　　為了使器件在低于3.0V供電時仍然兼容于RS-232規范，電荷泵倍壓和反相將無法實現這一目標。圖6所示MAX3212采用基于電感的轉換器產生±6.5V，以滿足發送器的需求。利用buck轉換器拓撲，器件可以工作在2.7V至3.6V單電源。

　　圖6. MAX3212集成buck轉換器，允許器件采用2.7V至3.6V單電源供電。

　　1.8V至4.25V單電源供電

　　MAX3218 (圖7所示)采用混合架構解決供電問題，通過基于電感的轉換器產生+6.5V電壓，然后利用電荷泵產生-6.5V電壓。基于這種技術，器件可以工作在1.8V至4.25V單電源。如此寬的電源輸入范圍，使MAX3218能夠理想用于電池供電系統。

　　圖7. MAX3218采用基于電感的升壓轉換器，并利用電荷泵產生反相電壓，器件可采用1.8V至4.25V單電源供電。

　　自動關斷(AutoShutdown)

　　許多RS-232器件僅僅工作很短一段時間，例如：血糖儀，大部分時間不會使用RS-232端口。如果沒有使用RS-232端口，最好將RS-232器件置于低功耗關斷狀態以節省電能。

　　自動關斷是系統的一個省電模式，如果監測到RS-232接口沒有使用，則將RS-232器件置于低功耗關斷狀態。自動關斷的重要意義在于它不需要處理器介入，無需軟件處理即可達到省電的目的。

　　自動關斷監控器檢測RS-232的接收器，如果連接到其它RS-232器件，接收器側可以檢測到低于-3V或高于+3V的有效RS-232信號。如果沒有任何連接，接收器電壓通常為地電位，如果自動關斷功能檢測到所有接收器電壓處于-0.3V至+0.3V之間，持續時間達到30μs以上，則判斷為沒有連接有效的發送器，器件將自動進入低功耗狀態，請參考圖8和圖10。如果任意一路接收器輸入超過+2.7V或低于-2.7V，收發器將自動脫離低功耗狀態，請參考圖9和圖10。

　　圖8. 所有接收器輸入介于±0.3V以內的時間超過30μs時，器件進入自動關斷模式。

　　圖9. 任何一路接收器的輸入超出±2.7V時，退出自動關斷模式。

　　圖10. 進入、退出自動關斷的門限值

　　低功耗模式下，發送器和發送器使用的電荷泵也會關閉。由于接收器工作時消耗非常低的電流，接收器將始終保持有效工作狀態。由此，MAX3221的典型靜態電流可以從0.3mA降至1μA (最大值從1mA降至10μA)。需要注意的是，一旦在接收器上檢測到有效的RS-232電平時，器件需要100μs才能使發送器進入有效工作狀態。MAX3221和MAX3243是具有自動關斷功能的RS-232器件。

　　增強型自動關斷(AutoShutdown Plus?)

　　類似于自動關斷功能，增強型自動關斷設計用于只要沒有使用RS-232器件即刻關斷整個器件，以節省功耗。如果在30s內器件沒有有效信號，增強型自動關斷將關斷器件。這種功能適用于發送器連接到RS-232端口，但沒有發送數據的場合。

　　增強型自動關斷需要關注兩種情況。

　　器件同時監測接收器和發送器是否有效工作。

　　將無效的引腳連接到ForceOn和ForceOff時，器件的工作狀況類似于自動關斷，如圖11所示。

　　圖11. 將ForceOn、ForceOff輸入連接到無效輸出，增強型自動關斷器件的工作狀況將類似于自動關斷器件。

　　MAX3224E和MAX3245E是具有增強型自動關斷功能的RS-232器件。

　　MegaBaud?

　　對于需要寬帶、低輻射的應用，MegaBaud RS-232器件不失為理想的解決方案。MegaBaud是Maxim推出的1Mbps、甚至更高速率的RS-232邏輯電平兼容的器件名稱。注意，這里采用了“兼容”，而非“滿足”，因為MegaBaud功能實際上并不符合RS-232的限擺率要求。

　　在典型的RS-232應用中，限擺率有利于降低輻射和反射，但也限制了最高數據速率。限制發送器的擺率，使其低于30V/μs。這一限制是為了最終將RS-232定義為一個簡單的物理接口。如果沒有這個限制，則要注意輻射、傳輸線等問題的影響。盡管限擺率簡化了物理連接，但也影響了可以達到的最高數據速率。

　　Maxim推出的MegaBaud器件在支持高速數據傳輸的前提下確保RS-232標準的兼容性，為了保證簡單的物理連接，這些器件仍然具有限擺率特性，但擺率高于RS-232標準規定的限制(比如，MAX3237E的擺率限制在150V/μs)。

　　這些設計意味著什么呢? 嚴格意義上講，MegaBaud器件不滿足RS-232標準，如果把具有MegaBaud能力的器件插入普通的RS-232標準接口，即使數據速率低至20kbps也不能保證正常運行。而在實際應用中，低數據速率下可以正常工作的器件，但當工作在1Mbps速率時則完全無法正常工作。為了支持1Mbps的數據速率，電纜兩端的產品都需要采用MegaBaud器件。

　　有些MegaBaud器件帶有一個標注為MBAUD的引腳，通過邏輯電平控制該引腳可以將器件配置為既可以工作在低于30V/μs的RS-232限擺率條件下，也可以工作在更高擺率的MegaBaud模式。如果連接到常規RS-232接口，器件可以工作在真正的RS-232標準模式。如果連接到另一個MegaBaud器件，則可支持1Mbps，甚至更高速率的數據傳輸。

　　VL引腳

　　在絕大多數現代應用中，微控制器(μC)的供電電壓遠遠低于收發器的電源電壓。所以，在μC和RS-232收發器之間需要添加邏輯電平轉換器。有些RS-232器件集成了電平轉換器，例如MAX3386E提供一個VL引腳，用于配置接收器輸出和發送器輸入端的邏輯電平。這一特性對于多電源供電和/或多邏輯電平系統非常實用。比如，圖12中的MAX3386E工作在3.0V至5.5V單電源，VL引腳將邏輯門限設置在0.8V至5V。

　　圖12. MAX3386E包含一個VL引腳，允許在混合電壓系統中提供可編程的邏輯門限。

　　微型封裝

　　由于絕大多數現代應用中都要求小尺寸設計，需要把IC放置在非常小的電路板區域。目前所能提供的最小封裝是芯片級封裝(CSP)。晶片級封裝(WLCSP)設計是IC倒裝在印刷電路板上;芯片的焊盤通過獨立的焊球焊接到PCB上，不需要任何其它填充物(圖13)。WLCSP技術不同于其它球柵陣列、引線封裝和層疊CSP技術，它不需要綁定線或內部連線。WLCSP封裝的優勢在于IC與PCB之間的寄生電感非常小;另外，它還有助于減少封裝尺寸、縮短生產時間、改善熱傳導特性。UCSP?是Maxim的WLCSP封裝商標。

　　圖13. 典型的14焊球WLCSP封裝

　　結論

　　在過去的25年，RS-232技術隨著應用需求的變化而穩步發展。Maxim的眾多RS-232收發器在業內占據了重要的優勢。另外，沒有任何理由顯示這類產品的設計已經止步不前。

　　RS-232串口通信仍將在低成本、設計簡單的產品中繼續發揮重要作用。在未來的應用中，低供電電壓、高數據率將成為新設計的普遍要求。未來的器件設計將會集成電氣隔離、過壓保護等功能。我們堅信Maxim將繼續保持這一領域創新設計的領導地位。