TSS521 Meter-Bus 收發器：技術解析與應用指南

在電子工程領域，Meter-Bus 標準的應用十分廣泛，它為智能計量設備的通信提供了可靠的解決方案。TI 公司的 TSS521 單芯片收發器，專為 Meter-Bus 標準（EN1434 - 3）應用而開發，在智能計量領域有著重要的地位。今天，我們就來深入了解一下 TSS521 的特點、功能以及應用。

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一、TSS521 概述

TSS521 是一款滿足 Meter-Bus 標準（EN1434 - 3）的單芯片收發器，主要用于從設備。它具有諸多特點，適用于多種計量應用，如電表、水表、氣表和熱量表等。其接口電路能夠調節從系統與 Meter-Bus 主設備之間的不同電位，并且與總線的連接極性無關，還支持通過光耦合器實現完全的從設備隔離。

特點總結

• 接收器邏輯具備動態電平識別功能。
• 恒流源可通過電阻調節。
• 具有極性獨立的電源故障功能。
• 模塊電源電壓可切換。
• 提供 3.3V 恒壓源，半雙工 UART 協議速率可達 9600 波特。

二、引腳功能

三、功能描述

1. 數據傳輸：主設備到從設備

主設備到從設備的數據傳輸中，總線上的標記電平（$V_{BUS } = MARK$）由從設備處的 BUSL1 和 BUSL2 的差值定義，其值受主從設備距離影響，因為距離會導致線路上的電壓降。為使接收器獨立工作，在 SC 引腳上使用動態參考電平，供電壓比較器 TC3 使用。

SC 引腳處的電容（$C{SC}$）由電流（$I{SCcharge}$）充電，并以電流（$I{SCdischarge}$）放電，它們之間的關系為$I{Sddarge }=frac{I{SCcharge }}{40( typ )}$。這種比例關系確保了任何 UART 協議的運行不受數據內容的影響。輸入電平檢測器 TC3 檢測來自主設備的電壓調制（$V{BUS } = SPACE$ 或 MARK 條件），并切換反相輸出 TXI 和非反相輸出 TX。

2. 數據傳輸：從設備到主設備

從設備到主設備的數據傳輸采用電流調制方式，在總線電壓保持恒定的情況下，電流源 CS3 對總線電流進行調制，主設備檢測這種調制來獲取信息。恒流源 CS3 由反相輸入 RXI 或非反相輸入 RX 控制，并且可以通過外部電阻$R_{RIS}$進行編程。

調制期間，除了電流源 CS3 的電流外，還有調制電源電流$I_{MS}$。由于 TSS521 僅配置為半雙工模式，來自 RX 或 RXI 的電流調制會同時在輸出 TX 和 TXI 上以回波形式重復。如果從設備和主設備同時嘗試在總線上發送信息，輸出 TX 和 TXI 上會出現疊加信號，這表明從設備發生了數據沖突。

3. 從設備供電：3.3V

TSS521 內部有一個 3.3V 電壓調節器，其輸出功率由 STC 引腳處的存儲電容$C{STC}$提供。存儲電容$C{STC}$由電流源 CS1 以恒定電流$I{STC_use}$充電，最大電容電壓限制為 REF1。充電電流$I{STC}$需通過 RIDD 引腳處的外部電阻定義，調節電阻$R{IDD}$可通過公式$R{RD}=25 frac{V{RDO }}{I{STC }}=25 frac{V{RDO }}{I{STC{-}}+I{C 1}}$計算。

比較器 TC1 監測存儲電容$C{STC}$的電壓電平。當電壓$V{STC}$達到$V{VDD_on}$時，開關$S{VDD}$將穩定電壓$V{VDD}$連接到 VDD 引腳；當電壓$V{STC}$下降到$V{VDD_off}$以下時，VDD 關閉。電容$C{STC}$上的電壓變化會導致總線電流變化。

在總線故障時，VDD 的關閉時間（$t{off}$）取決于系統電流$I{VDD}$和電容$C_{STC}$的值，這對于確定電容的尺寸非常重要。輸出 VS 用于由總線能量驅動的從設備系統，當總線線路電壓故障時，也可由電池供電。VS 的切換與 VDD 同步，并由比較器 TC1 控制，通過外部晶體管可實現從 Meter-Bus 遠程供電到電池供電的切換。

4. 電源故障功能

由于輸入處的整流橋 BR，TSS521 具有極性獨立性。VB 引腳到地（GND）提供的總線電壓$V{VB}$減去整流橋 BR 上的電壓降。電壓比較器 TC2 監測總線電壓，當$V{VB}>V_{STC}+0.6V$時，輸出$PF = 1$；當輸出電平$PF = 0$（電源故障）時，會向微控制器發出臨界電壓下降的警告，以便立即保存數據。

四、電氣特性

1. 絕對最大額定值

• 總線電壓（BUSL1 到 BUSL2）：+50V
• 輸入電壓范圍（RX 和 RXI、BAT）：-0.3V 至 5.5V
• 工作結溫范圍：-25°C 至 150°C
• 工作環境溫度范圍：-25°C 至 85°C
• 存儲溫度范圍：-65°C 至 150°C
• 功率降額因子（結到環境）：8mW/°C

2. 推薦工作條件

• 總線電壓（接收器）：10.8V 至 42V
• 總線電壓（發送器）：12V 至 42V
• 輸入電壓（VB 接收模式）：9.3V
• BAT 電壓：2.5V 至 3.8V
• RIDD 電阻：13kΩ 至 80kΩ
• RIS 電阻：≥100Ω
• 工作環境溫度：-25°C 至 85°C

3. 電氣特性參數

文檔中還詳細列出了各種電氣特性參數，如整流器 BR 的電壓降、電流源 CS1 的電壓降、總線電流、電源電流、VDD 電壓、VDD 電阻等，這些參數為工程師在設計電路時提供了重要的參考依據。

五、應用信息

1. 基本應用電路

文檔提供了幾種基本應用電路，包括帶支持電容$C{STC}>50μF$的基本應用電路、電池供電的基本應用電路、不同供電模式的基本應用電路以及基本光耦合器應用電路。在設計應用電路時，需要考慮晶體管 T1（如 BSS84）在低電池電壓下的$R{DSon}$值。

2. 封裝信息

TSS521 有不同的封裝選項，如 TSS521D（已過時）、TSS521DR 和 TSS521DR.A（均為有源生產），采用 SOIC（D）封裝，16 引腳。文檔還提供了封裝的詳細信息，包括尺寸、引腳分配等，以及載帶和卷盤的相關信息。

六、總結與思考

TSS521 作為一款專為 Meter-Bus 標準設計的收發器，具有豐富的功能和良好的電氣特性，適用于多種計量應用場景。在實際設計中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇工作條件和參數，確保電路的穩定性和可靠性。同時，要注意封裝的選擇和應用電路的設計細節，以充分發揮 TSS521 的性能。大家在使用 TSS521 過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。