在考虑集成电路时，当今的设计工程师不仅要考虑性能，还要考虑低功耗特性。每个芯片节省几毫安的静态电流似乎微不足道，但对于一个有几十个ic的电路板来说，这是非常重要的。这样的节省允许使用更小的电源和更少的电力从墙上插座。对于小型的、便携的、电池供电的设备，省电可以让电池运行更长的时间。

凭借低功耗CMOS工艺和智能电源管理，当今便携式设备的工作时间已经变得非常长。在过去的几年里，电源电压也急剧下降。许多设计现在使用3.3V主电源或直接从单个Li+电池运行!半导体制造商在满足这些低电压无处不在的RS-232标准的所有要求方面非常有创意。但是，现在有必要妥协，以节省更多的电流。本文展示了如何通过寻求“兼容性而不是遵从性”以尽可能低的功耗运行接口。RS-232接口的简短历史显示为侧栏。

终极挑战:电源电压低于+3.0V

小型手持设备的电源电压已经滑落到+3.0V以下，这是由于最近的亚微米CMOS工艺的能力以及在运行过程中节省更多功率的愿望。处理器核心的典型电源电压低至0.8V, I/O电压接近2.5V，这可能还不是底部。pda、手机和掌上电脑制造商迫切需要工作电压低于3.0V的低功耗串行接口设备。这些应用中典型的是掌上电脑和笔记本/台式电脑之间的连接，以及手机和笔记本/台式电脑之间的数据线。但是，如此低的电压如何在发射机输出处产生符合rs -232标准的电压呢?

一个简单的解决方案包括一个基于电感的升压变换器来产生正供电轨，然后是一个电荷泵逆变器来产生负供电轨。例如，MAX3218升压转换器提供符合rs -232标准的输出电平，电源电压低至+1.8V。然而，这种拓扑结构也存在一些缺点。

首先，较低的供电电压需要较高的供电电流来运行串行接口。例如，带有标准3k欧姆/2500pF并联负载的120kbps串行链路从+2.5V电源(图1）. 由此产生的功耗(125mW)对于串行接口来说是相当高的，并且相关的电感携带非常高的峰值电流。为了与MAX3218一起工作，电感器需要350mA的直流额定值。最后，许多工程师不希望在他们的设计中使用另一个开关电源，因为会产生额外的噪音，尤其是在手机中，因为手机在传输过程中已经需要电池产生突发电流。

图1所示。MAX3218采用升压变换器和电荷泵逆变器，其供电电流随供电电压降低而上升。

为什么不是三重电荷泵方法?

三电荷泵提供了另一种直接的方法RS-232电源(图2）. 第一个泵将输入电压从+2.5V加倍到(理论上)+5V。但是，电荷泵的欧姆损耗和变送器的差使该电压无法达到符合rs -232标准的±5V输出电平。另外两个电荷泵因此被用来产生所需的+5V和-5V发射器输出电压。

图2。由于效率低下，使用三个电荷泵来产生符合RS-232的发送器输出电压不适合低功率RS-232设备。

虽然适用于较高的电源电压，但这种拓扑结构不适用于低电压下工作的低功率RS-232设备。第一个缺点是效率差。输入电流为42mA，假设120kbps数据速率所需的发射器电流为5mA，并联时标准负载为3k欧姆/2500pF，每个部分的典型电荷泵效率为80%。虽然只是一阶估计，但该输入电流显示所需的功率电平(105mW)与MAX3218相比并没有太大的改进。

三电荷泵IC消除了开关DC-DC转换器，但其芯片尺寸很大，因为功率mosfet(用于第三电荷泵部分的充电和放电电容器)需要大量的芯片面积。一个更大的包装和更高的价格将是后果。此外，与双电荷泵方法相比，该部件将需要两个额外的外部电容器。基于这些原因，Maxim在实现低电压、低功耗、串行接口器件方面采取了另一种方式。

表1。EIA/TIA-562串行接口标准的电气规格(与侧栏中的表1b比较)

Maxim提供各种串行接口ic，工作电压低至2.25V。这些设备的目标是掌上电脑、手持仪器、pda和手机。均兼容RS-232接口标准，符合EIA/TIA-562(发射机输出幅度低于5V但高于3.7V)。所有操作与双电荷泵。这种拓扑结构不需要DC-DC转换器或三电荷泵，因此工作电流要低得多。这些器件的其他特性还包括高ESD保护和小封装。

当使用MAX3316E收发器设计时，上述120kbpsec串行接口电路从2.5V电源中仅消耗15mA。由此产生的功耗(37.5mW)仅为MAX3218收发器的30%，即使负载(2500pF)代表相当长的电缆!大多数便携式设备都不会用15米长的电缆连接到PC，因此更合理的假设是电缆长度为2米或更短。此类电缆的容性负载最大为500pF，从而进一步将供电电流降低至8mA (图3)，因此耗电量仅为20mW。规则很简单:短的串行数据电缆从电源电压中吸取的电流更少。短电缆，发射机输出电压(远高于+4V和低于-4V)符合EIA/TIA-562规范和RS-232兼容。

图3。MAX3316E从2.5V电源获得低电源电流(左)。其发送输出电压(右)与RS-232规范兼容，并符合EIA/TIA-562规范。

把所有的电子设备放在便携式设备中，并摆脱有源电缆!

个人数字助理(pda)和高端手机经常与笔记本电脑或台式电脑交换文件。这些设备中的串行数据链路得到频繁使用，因此在便携式设备中包含RS-232收发器是有意义的。因此，信号与rs -232兼容或兼容的电压水平可直接在超小型连接器。在电缆连接器内不再需要有源电路，因此电路可以是纯无源的。

RS-232收发器逻辑端的ESD保护是另一个优势。一种称为芯片级封装(CSP)的新封装技术可以实现尽可能小的IC尺寸，并允许以很小的板面积集成到便携式设备中。这种封装的尺寸并不比模具本身大多少。它通过以矩阵模式排列的球网格连接到电路板上。MAX3228E采用这种新封装，具有5x6球栅矩阵和2.5x3mm尺寸。因此，它的占地面积只有7.5平方毫米。图4包括MAX3228E方框图，其引脚分配和尺寸图，显示该IC如何适合便携式设备。只需要四个小的100nF电容器来运行内部双级充电泵。

图4。MAX3228包括两个发射器和两个接收器。采用5x6栅格芯片级封装(CSP)，其小尺寸便于在便携式设备中使用。

除了具有两个发射器和两个接收器的MAX3228E外，MAX3229E(在相同的UCSP封装中提供)还包括一个发射器和一个接收器。两者都包括AutoShutdown '。与数据电缆示例中的MAX3388E一样，MAX3228E包括一个V(L)引脚，可在低电压逻辑系统中工作至1.65V。

尽可能长时间保持顺从

MAX3228E和MAX3229E (CSP中提供)可以在宽范围的电源电压(+2.5V至+5.5V)上供电。为了保持符合RS-232规范(假设V(CC)足够高)，当V(CC)低于大约+3.1V时，每个设备的输出电压波动从“兼容”变为“兼容”。详情如表2所示。减少的输出水平也延长电池寿命，通过减少电源电流。

对于V(CC)输入，当V(CC)有噪声或电源电流发生阶跃变化时，内置约400mV的磁滞可防止输出电平变化。当V(CC)上升到大约+3.5V以上时，输出返回到符合rs -232标准的电平。该功能允许MAX3228E由单个Li+电池供电。因此，当电池充满电时，MAX3228E提供完全兼容的输出电压波动。当电池放电时，在某个时刻设备自动切换到rs -232兼容输出，从而确保串口的操作直到电池完全放电。

表2。Maxim收发器自动切换到rs -232兼容模式时，他们的双充电泵不再提供rs -232兼容的输出电压。

要兼容，不要顺从

节省电力的简单公式是兼容，但不一定符合RS-232规范。使用短电缆通信时，不必严格遵守5V输出电压幅值，因为接收器输入阈值指定为+3V和-3V。在短RS-232电缆中不太可能出现2V的下降!这种情况似乎违反了表1中的RS-232规范，但考虑到90年代早期创建的电气规范与RS-232规范完全兼容。

它被称为EIA/TIA-562，它的发明是为了在较低的电源电压下支持串行数据通信，特别是在办公室、家庭和酒店等安静环境中的短电缆上。它的目标是电池供电的便携式设备和计算机之间的通信。您可以将表1的EIA/TIA-562规范中的主要参数与侧栏中表1sb的RS-232规范中的主要参数进行比较。两个规范都没有定义最大电缆长度，但EIA/TIA的最大容性负载(1000pF)意味着电缆比RS-232的2500pF短。

EIA/TIA规定的最大数据速率更高(60kbps)，但在许多应用中已经使用120kbps及以上的数据速率。最小变送器输出幅值(3.7V)比RS-232规范低1.3V，兼容安静环境和低电缆压降。尽管如此，相对于指定的接收器阈值+3V和-3V, 3.7V仍留有700mV的余量。因此，RS-232接收器在理解来自EIA/TIA-562发射器的信号方面没有问题。

最大输出幅度额定为13.2V，但(如前所述)目标是通过在尽可能低的电压下操作串行接口来节省功率。实际上，实际的接收器阈值范围在+3V以下和-3V以上。虽然没有详细说明，但这一事实提供了另一个安全边际。旧的四接收器MC1489具有典型的1.3V和1.0V的高、低接收器输入阈值。MAX3225E对应的阈值为1.5V和1.2V，其他接口部件的阈值也为1.5V和1.2V。因此，大多数正阈值低于2.0V，负阈值高于0V的假设允许电缆上额外的电压降。

典型的数据电缆应用

在一个简单的数据电缆电路中(图5)接口驱动程序通常放置在插入便携式设备的微型连接器的外壳内。(对于需要较少接收器或发射器的应用，可以使用其他几种收发器来取代MAX3388E。)

图5。MAX3388E的可编程逻辑电压和用于生成环形指示(RI)信号的第三个发射机简化了数据线设计。

本例选择了MAX3388E，因为它具有有助于解决数据电缆问题(如逻辑电平)的优势。RS-232接口设备的接收器输出通常在0V和V(CC)之间摆动，如果便携式设备中的逻辑I/O在低于V(CC)的电压下工作，则可能过高。因此，MAX3388E提供了一个单独的逻辑电源输入(V(L))，用于设置接收器输出的逻辑高电平和发射器输入的阈值电压。

V(L)引脚工作低至1.8V，并允许灵活地连接大多数便携式设备。LDO(低差线性稳压器)也简化了接口，其输出电压可以设置为所需的逻辑电压摆幅。或者，您可以通过使用齐纳二极管或二极管降(串联几个1n4148)稳定V(L)电压来节省资金。如果微型连接器上的V(CC)是恒定的(因为内部LDO已经稳定了输出电压)，那么用电阻分压器调整V(L)电压可能就足够了。然而，由于V(L)提供接收器输出，该解决方案取决于接收器输出处的负载电容和流入移动设备的电流。可能需要low欧姆电阻分压器以避免V(L)引脚上较大的电压变化。

更多的功能帮助. . . .

MAX3388E中的第三个发射器可以产生环形指示信号(RI)，提醒PC或笔记本中的UART。它可以产生一个中断，其相关的软件程序可以服务于便携式设备和计算机之间的全双工通信。MAX3388E包含一个电源开关，用于为外部电路供电，如摇篮应用中的热同步电路。它还在RS-232端和cmos逻辑端之间配备了逻辑级接收器。配备开漏输出，这种逻辑级接收器也适用于“热同步”和其他专用通信。

所有RS-232侧的发射器和接收器都具有±15kV的ESD保护。(数据电缆的逻辑侧可能需要额外的ESD保护，未显示在图6)。对于MAX3238E和MAX3248E RS-232收发器，逻辑端和RS-232端都具有防静电功能。这些设备保持RS-232兼容低至V(CC) = +3.0V, RS-232兼容低至V(CC) = +2.7V。

小尺寸，最低功耗，rs -232兼容部件运行在+5V

数码相机、销售点系统和机顶盒通常包括一个RS-232串行接口，并从单个+5V电源运行。这些应用需要使用短数据电缆，因此EIA/TIA-562标准是完全足够的。其他收发器是围绕MAX3311E设计的，用于这些类型的应用。仅+ 5v的部件与单个充电泵一起工作，减少了外部电容器的数量，其µMAX封装占用的电路板空间非常小。这些部件还提供rs -232兼容的发射器输出摆动。MAX3311E可能是可用的最低功耗串行接口:120kbps的数据速率和显示小于500pF电容的短电缆，它需要的工作电源电流不高于2.5mA!

侧边栏

RS-232收发器:现代集成电路的历史发展

早期版本的RS-232接口消耗了大量的电力!20多年前，串行接口通常是用当时可用的标准设备构建的:四发射器MC1488和四接收器MC1489。从那时到今天，这些设备都可以从国家半导体、德州仪器、安森美半导体和其他公司获得。因为它们是用双极硅工艺制造的，所以它们有很高的静态电流。

在那些日子里，MC1488/MC1489对功耗超过700mW!在传输数据时，这一对额外的驱动器电流和电缆充电损耗使功耗高达1W。多年来，发射机设备的一大缺点是要求电源电压在±12V(大约)左右对称。接收器从单个+5V电源操作，因此RS-232端口需要三个电源电压。台式计算机的情况更糟，台式计算机的两个COM接口通常由标准SN75185驱动程序实现，其中包括三个发射器和五个接收器。接口不使用时，功耗为1.2W。

RS-232规范

如果设计师的系统已经包含了±15V的电路(如运放)，那么他就很幸运了，因为从±15V的电路中可以推导出RS-232电源电压。另一方面，必要的串行接口供电电压必须由仅使用+5V的数字系统产生。毕竟，RS-232规范要求发射器输出端的电压幅值至少为5V(表1sb)。

注意，RS-232标准的输出是反向的:在TTL侧发送逻辑高信号会在RS-232侧产生等于或小于-5V的负电压，而发送逻辑低信号会产生等于或大于+5V的正电压。接收器阈值指定为±3V，这允许通过长电缆传输数据的净空，并增加抗失真的免疫力。

表1…从RS-232串行接口标准选择电气规格。

许多人仍然认为RS-232发射机必须提供±12V。多年来，这些电平一直是一个非官方标准，因为它们通常已经用于电路或计算机硬盘驱动器。±12V的导轨很方便，但不是必须的，如表1b所示。

只要提供足够的输出电压就足够了。如果输出达到所需的最小幅度5V，则RS-232接口完全符合其规格，因此对于输出级电压降很小的变送器，±6V电源可能足够。另一方面，±12V轨道可以为工业环境中通过长电缆传输数据提供额外的抗噪性优势。

然而，今天大多数RS-232通信需要不到3米的电缆，例如，将手机或PDA支架连接到笔记本电脑，或将小型PBX连接到台式电脑。这些应用程序驻留在办公室或家里，所以抗噪声不是一个大问题。请注意，RS-232标准规定了最大负载电容(2500pF)，而不是最大电缆长度。因此，即使对于电容为100pF/m的廉价接口电缆，电缆长度达到25米也不会造成问题。

第一个挑战:摆脱大电源!

当Maxim在20世纪80年代中期宣布MAX232收发器时，没有人知道它会取得多大的成功。今天，有10多家制造商提供这种产品，每年的产量达数百万。它的主要特点是+5V单电源能力，因此不再需要对称的双极电源电压。然而，它的输出提供符合RS-232规范的信号。

这个IC设计背后的简单想法是集成电荷泵。图1…显示了内部电荷泵，它在第一级将输入电压加倍，然后在第二级将其反转。这样，它从+5V输入得到+10V(理论上)的两倍电压，然后是-10V(理论上)的反向电压。实际上，欧姆和开关损耗将典型的MAX232输出摆幅降低到±8V左右。今天，MAX232电路是Maxim提供的100多个RS-232设备的基础。

图1…max232型RS-232收发器中的发射器输出级从内部电荷泵产生的V+和V-电压中获得其正负电平。

下一个挑战:A +3.3V单电源

随着逻辑电源电压降至3.3V，便捷的双级充电泵解决方案突然过时了。MAX232不会在+3.3V下工作，并且没有在该电平下指定。从理论上讲，用电荷泵将低电压加倍并反相将产生±6.6V的对称轨，但内部电荷泵晶体管和发射-输出级的损耗太高，无法提供符合表1sb所列规格的输出幅度。还要注意的是，高公差(±10%)指定的+3.3V电源提供的最小导轨仅为+3.0V。

Maxim相应地设计了下一代零件，这些零件也可以从其他制造商那里获得。根据IEC1000-4-2标准，几乎所有此类ic都具有低电源电流和±15kV ESD保护。新器件具有高性能的电荷泵，开关晶体管的损耗非常低，并且其发送-输出级具有低降电压。因此，该系列的成员在电源电压低至+3.0V的情况下工作。例如，MAX3225E包含两个发射器和两个接收器，功能类似于旧的MAX232。但是，该系列的ic具有新功能，使设计师的工作更容易。

电源电压范围为+3.0V至+5.5V，允许该部件用于+3.3V或+5V系统。对于大多数应用，大型制造商只需要认证一个标准RS-232部件。

调节电荷泵节省发射机电流。一个小而有效的节电技巧是限制发射机输出电压。不幸的是，设计人员对终止驱动器输出的电阻器没有影响，该电阻器在3k欧姆到7k欧姆处指定。数据表上通常规定了变送器的最大负载，这发生在3k欧姆。终止电阻的功耗为P(DIS) = V²/R(TERM)。因此，限制输出电压是有意义的，它在这个方程中以2的幂出现!

Maxim的低压RS-232设备具有输出电压控制功能。请注意，较高的电源电压允许较少的开关活动在电荷泵。内部电荷泵通过脉冲控制产生±6V，与电源电压无关。然后，低差发射器输出级提供±5.5V的电压，但仍符合RS-232规范。这些级提供了令人印象深刻的输出电压与负载电容的不变性，即使在数据速率高于1Mbit/s (图2…）. 输出幅值为8V的MAX232在端接电阻中耗散21.3mW，输出电压控制将耗散功率降至10mW，省电50%以上!

图2…MAX3225E发送器输出仍然符合RS-232规范，即使具有1Mbit/s数据速率和2000pF负载电容。

关掉它!

省电关机模式AutoShutdown 和AutoShutdownPlus 无需软件帮助即可运行。例如，自动关机是电压触发的。当超过30µs, RS-232输入端没有有效电压电平时，该部分关闭，通常发生在电缆未连接或对面的变送器关闭时。只要在其中一个接收器上出现有效电压，该部件就会唤醒并立即准备好操作。

这种关闭模式有两个注意事项:首先，只要在其RS-232接收器输入端之一存在有效电压，该部件就不会关闭。当另一侧的传输电压没有正确关闭时，这可能是一个问题，结果可能是一个连续的有效信号，阻止部件进入其电流保存模式。其次，在发送数据之前需要唤醒该部件。

AutoShutdownPlus修复了AutoShutdown的缺点。它监视RS-232侧的接收器输入和TTL侧的发送器输入。它的边缘触发操作对连续信号没有问题。当超过30秒没有接收或发送活动时，部件进入关闭模式。然后，在RS-232输入或发射机的ttl侧输入处的边缘导致部件唤醒。

这篇文章的类似版本出现在2002年7月的便携式设计杂志。