在选用积体电路产品时，目前大多数设计工程师都会同时注重低耗电以及运作效能表现，每颗晶片所节省的几mA静态耗电看起来虽然不多，但对拥有数10颗晶片的电路板而言累积起来的结果也是不可忽视的，透过这样的节省方式可以搭配使用较小型的电源，同时耗电也较低，而对以电池运作的小型化便携式设备来说，电源的节省还能带来更长的电池运作时间。

由于采用了低耗电CMOS制程与智慧化电源管理，目前可携式设备的运作时间已经可以达到相当长，电源电压在过去数年也大幅降低，目前已经有许多设计采用3.3V的主电源，甚至可以由单一颗锂离子电池直接运作。半导体制造商在过去为了满足这些低电压环境上RS-232标准的普遍需求也想出了许多聪明的做法，但现在却必须为节省更多的耗电而进行妥协，这篇文章将讨论如何透过采用相容但非完全符合的策略来以最低可能的耗电实现介面的来运作。

终极挑战：低于+3.0V的电源

目前许多小型化掌上型设备的电源由于采用新次微米CMOS制程技术，同时希望能够在运作时节省更多的耗电而逐渐下降到低于+3.0V，处理器核心的标准电源甚至可以低达0.8V，输出入电压则接近2.5V，同时还有可能继续降低，因此，PDA、行动电话与掌上型电脑的制造商都相当需要能够在低于3.0V电源电压下运作的低耗电串列介面元件，这类应用通常用来提供掌上型电脑与笔记型或桌上型电脑间的连线，以及行动电话与笔记型电脑或桌上型电脑间的资料传输，但问题是如何在低电压情况下产生符合RS-232标准的发送电压输出？

一个简单的解决方法是透过采用电感器的升压转换器来产生正向电压，接着再利用充电帮浦反相电路来取得负电压，例如MAX3218升压转换器就可以以低达+1.8V的电源提供符合RS-232的输出位准，不过这样的结构却有几个缺点。

首先，更低的电源电压代表了需要更高的电流来操作这个串列介面，例如标准3kΩ/2500pF并联负载下的120kbps串列连结会由+2.5V电源耗用50mA的电流，请参考(图一)。整体125mW的功率消耗对串列介面来可以说相当高，同时所搭配的电感也会承载很高的尖峰电流，要搭配MAX3218运作，电感器的直流规格要求为350mA，同时，许多设计工程师并不想要在设计中加入另一个交换式电源以避免带来更多的杂讯，特别是在已经会在发送信号时从电池要求瞬间大量电流的行动电话设计上。

《图一 MAX3218在充电帮浦反向器之后采用了升压转换器，同时耗电会随着更低的电源电压而升高》

为什么不采用3个充电帮浦的做法？

三个充电帮浦的组合提供了另一个RS-232电源的直接解决方式，请见(图二)，其中第一个帮浦将输入电压由+2.5V倍增到+5V，但充电帮浦以及发送电​​路上的压降会让电压无法达到符合RS-232标准的5V输出位准，因此就透过另外两个充电帮浦就用来产生所需的+5V与-5V发送电压输出。

虽然适合较高的电源电压，但这个组态并不适合以低电压运作的低耗电RS-232元件，第一个缺点是效率不高，假设在120kbps资料传输率时需要5mA的发送电流，同时并联标准的3kΩ/2500pF负载而且每部分充电帮浦效率为80％，那么输入电流为42mA，虽然只简略使用了第一阶估算，输入电流显示所需耗用的105mW功率水准并没有比MAX3218改善多少。

三个充电帮浦组合晶片产品可以虽然免除切换式直流─直流转换器，但由于在第三个充电帮浦上用来进行电容充放电的功率MOSFET需要较大的晶片面积，因此无法得到较小的尺寸，同时也会造成较大的包装与较高的成本，另外，这些元件也比使用二个充电帮浦的方式多需要二个外部电容，在实现低电压、低耗电串列介面元件时就采用了另外一种做法。

《图二 由于效率不高，因此采用3个充电帮浦来产生符合RS-232标准发送器输出电压的作法并不适合低耗电RS-232组件》

这些元件能够适用于掌上型电脑、手持式仪器、PDA与行动电话，同时也都与RS-232介面标准相容，并符合EIA/TIA-562标准规格，也就是发送输出振幅低于5V但高于3.7V，所有运作都采用双充电帮浦，不需直流─直流转换器或3个充电帮浦，因此可以得到低上许多的工作耗电，这些元件的其他特性还包括高ESD保护能力与采用小型的包装供货。

在采用MAX3316E收发器进行设计时，以上的120kbps串介面电路仅会由2.5V电源耗用15mA，虽然2500pF的负载代表了相当长的连接缆线，但大部分的便携式设备并不会使用15公尺长的缆线来连接到个人电脑，因此较合理的长度大约为2公尺甚至更短，而这类缆线的电容性负载最高为500pF，因此可以进一步将工作耗电降低到8mA，带来仅20mW的电力消耗，请见(图三)。其实规则相当简单，由于较短的串列资料缆线由电源电压的耗电更低，因此在较短的缆线上，远高于4V与远低于-4V的发送器输出电压可以符合EIA/ TIA-562标准规格并且与RS-232相容。

《图三 MAX3316E从2.5V电源仅耗的电流，请见图左，图右中它的发送器输出电压与RS-232规格兼容并符合EIA/TIA-562规格》

所有电子放置可携式设备上并免除主动式缆线

PDA与高阶行动电话通常都需要与笔记型或桌上型电脑交换档案，这类设备中的串列资料连结经常被使用，因此在便携式设备上加入RS-232收发器的动作就相当合理，让符合RS-232标准或相容RS-232电压位准的信号能够透过小型化连接器直接提供，使得缆线的连接头再也不需要加上主动式电路，让电路可以成为完全被动式的设计。

在RS-232收发器的逻辑端进行ESD保护则是另一个优势，一种称为晶片级包装（Chip Scale Packaging）的新型封装技术可以带来最小可能的晶片尺寸，并且能够以相当小的电路板占用面积整合到便携式设备上，这类包装的尺寸通常比晶片本身大不了多少，并且透过以矩阵方式安排的球闸阵列接点焊接到电路板上，MAX3228E就以这种新包装形式供货。采5 x 6球闸阵列矩阵，大小则为2.5mm x 3mm，因此占用面积仅7.5mm2，(图四)包含了MAX3228E的功能方块图、脚位安排以及这颗晶片如何安排到便携式设备上的尺寸图，只需4颗小型的100nF电容就能使晶片内的双阶充电帮浦运作。

除了具备二个发送器与二个接收器的MAX3228E外，同样采用UCSP包装的MAX3229E则包含一个发送器与一个接收器，这两颗晶片都内含AutoShutdowm自动关机功能，和应用在资料缆线范例中的MAX3388E一样，MAX3228E包含有一根能够以低达1.65V运作的VL接脚来搭配低电压逻辑系统。

《图四 内含2个发送器与2个接收器》

尽可能符合规格

以CSP包装供货的MAX3228E与MAX3229E可以接受+2.5V到+5.5V的宽广电源电压范围，为了符合RS-232规格，假设VCC够高，每个元件的输出电压大小会在VCC电源低于大约+3.1V时由符合改变为相容，读者可以参考(表二)中相关的细节，降低的输出位准同时也可以透过降低耗电来延长电池的使用寿命。

对VCC输入来说，内建大约400mV的迟滞区间可以避免VCC电源杂讯太大或工作耗电步阶变化时造成输出位准的改变，当VCC上升超过约+3.5V时，输出将会回到符合RS-232规格的位准，这项功能让MAX3228E可以透过单一锂离子电池供电运作，因此，MAX3228E在电池完全充电的情况下可以带来完全符合规格标准的输出电压幅度变化，当电池逐渐放电后，在某个电压点元件会自动切换到RS-232相容输出，因此就能够确保串列连接埠的运作直到电池完全放电为止。

要相容不必完全符合

要节省功率的简单公式是要相容而不必完全符合RS-232规格，在透过较短缆线通讯时，事实上并不一定要严格地符合5V的输出电压幅度，原因是接收器的输入临界值规格为+3V与-3V，而在较短的RS-232缆线上不太可能会有2V的压降，虽然这个情况看起来违反了(表一)中的RS-232规格标准，但请注意这些电气规格是在90年代早期所制定的完全相容RS-232规格。

而EIA/TIA-562则是依要在较低电源电压下支援串列资料通讯，特别是在较单纯环境，例如办公室、家庭或旅馆中以较短距离缆线连接的情况，主要目标是提供以电池运作的便携式设备与电脑间的通讯，可以比较表一中EIA/TIA-562规格的主要参数与(表三)的RS-232规格，基本上两个规格都没有定义最长的缆线长度，但EIA/TIA的最大电容性负载1000pF显示了它在缆线长度上会比2500pF的RS-232要短。

EIA/TIA最高定义60kbps资料传输率较高，但120kbps以及更高的资料率早就已经在许多应用上使用，它的最低发送器输出幅度3.7V比RS-232规格低1.3V，同时也相容于较单纯环境且较低的缆线压降，3.7V与接收器临界电压+3V与-3V比较，保留了700mV的余裕空间，因此，RS-232接收器在接收由符合EIA/TIA- 562标准发送出来的信号时并不会有什么问题。

虽然最高输出幅度规定为13.2V，但如以上所讨论，我们的目标是透过以最低可能的电压进行串列介面运作来节省耗电，在实际应用上，真正的接收器临界电压可能低于+3V或高于-3V，虽然没有特别指定，这事实上提供了另一个安全区间，旧式内含4个接收器的MC1489大约拥有1.3V与1.0V的高与低接收输入临界值，相对地和其他介面元件一样，MAX3225E临界值则为1.5V与1.2V，因此，假设大部分的正临界电压值低于2.0V且负临界电压值高于0V，那么将可以为缆线上的压降带来更大的余裕空间。

典型的资料缆线应用

在(图五)中的简单资料缆线电路上，介面驱动电路通常会被安排在插入便携式设备的小型化连接器中，对需要较少接收器或发送器的应用。在这个例子中选择MAX3388E的主要原因是它提供了能够协助解决资料缆线问题，例如逻辑位准的好处，RS-232介面元件的接收器输出通常会在0V与VCC间变动，但如果便携式设备上的逻辑输出入接脚以低于VCC的电压运作时，还可能会超过，MAX3388E因此提供了一个独立的逻辑电源输入VL，可以用来设定接收器输出的高逻辑电压位准以及发送器输入的临界电压。

VL接脚可以在低达1.8V电压下运作，并且带来与大部分便携式设备介接的弹性，同意可以简化介面的是能够将输出电压设定为所需逻辑电压摆幅的低压降（Low- Dropout）线性稳压器，或者也可以利用齐纳（Zener）二极体或串接数个1N4148二极体的压降来提供低成本的VL电压稳压效果，如果小型化连接器上的VCC保持稳定，事实上内部的LDO已经将输出电压稳压，那么可能只需利用电阻式分压电路就足以调整VL的电压输出，不过由于VL被用来提供接收器的输出，因此这个解决方案会受到接收器输出负载电容与流经行动设备电流的影响，所以可能需要较低欧姆数的电阻分压电路来避免VL接脚上较大的电压变化。

《图五 数据缆线设计可以透过可控制逻辑电压与能够用来产生振铃指示》

更多的辅助功能

MAX3388E中的第3个发送器可以用来产生提供个人电脑或笔记型电脑UART警示的振铃指示信号，它能够产生搭配软体程式的中断信号，提供便携式设备与电脑间的全双工通讯。 MAX3388E包含一个外部电路，例如基座应用中热同步（hot-sync）电路用的电源切换开关，同时也在RS-232端与CMOS逻辑端之间配备一个逻辑位准接收器，采开汲极输出，这个逻辑接收器同样适用于热同步以及其他特别的通讯应用。

所有RS-232端的发送器与接收器都拥有15KV的ESD保护，图五中并未显示的资料缆线逻辑端可能需要额外的ESD保护，对MAX3238E与MAX3248E等RS-232收发器来说，不管是逻辑或是RS-232端都具备有ESD保护，这些元件在VCC等于+3.0V时都还能符合RS-232规格，并在VCC低达+2.7V时还能保持与RS-232相容。

更小的占用面积、最低的耗电，以+5V运作的RS-232相容元件

数位相机、销售终端系统与机顶盒通常都包含有一个RS-232串列介面并采单一+5V电源运作，这些应用大多使用较短的资料传输缆线，因此EIA/TIA- 562标准通常就已经足够，其他环绕MAX3311E所设计的收发器产品就是针对这类应用，这些仅需单一+5V电源的元件采用了可以节省外部电容的单一充电帮浦，同时它们所采用μMAX包装也只占用相当小的电路板面积，这些元件同时提供了RS-232相容的发送输出摆幅，MAX3311E可能是目前市面上耗电最低的串列介面元件，在120kbps资料传输率以及低于500pF电容的短距离缆线下，工作耗电低于2.5mA！

RS232收发器:今日晶片的发展历程

早期的RS-232介面元件相当耗电，20多年前，标准设备上大多会内建一个串列介面，之后就有厂商推出内含四个发送器的MC1488 与四个接收器的MC1489，直到今天，还有许多公司提供这类元件，由于采用双载子矽晶片制程生产，因此静态耗电相当高。

在过去的这段时间，MC1488与MC1489配对总耗电超过700mW，在发送资料时，这对晶片的其他驱动电流与缆线充电耗损更将功率消耗推升到高达1W，一直以来，发送器元件的一个重大缺点是需要电源电压提供对称的约12V电源，接收器则能够以单一+5V电源运作，因此光RS-232连接埠就需要三种不同的电源电压，对桌上型电脑来说情况则更糟，因为两组COM串列介面通常采用内含3个发送器与5个接收器的标准SN75185驱动元件，功率消耗为1.2W，甚至是在介面并未使用的状态下。

CMOS制程，黑暗中的光明

CMOS制程的商业化应用带来了以上高耗电晶片的低耗电版本，CMOS版本产品以及在接收器输入与发送器输出具备高阶ESD保护的元件，内含4个发送器的MAX14881与4个接收器MAX14891的组合静态耗电大约只有7.32mW，大约是双载子版本的1％。

这些元件还是需要三种电源电压，不过这个问题相当容易解决，不需设计一个主要用来提供静态电流的复杂电源，可以利用像是ICL7660做为倍压器，搭配ICL7662做为电压反向器等小型充电帮浦来由+5V产生所需的电压，在当时通常为2.4kbps到9.6kbps的低资料传输率情况下，发送电流与缆线耗损也相当低，因此由充电帮浦所提供约达10mA的电流就足以供应串列介面的运作。

RS232规格

如果在系统中已经包含以15V运作的类比电路，例如运算放大器，那么就可以透过它取得RS-232所需的电源电压，否则所需的串列介面电源电压就必须由以+5V电源运作的数位系统产生，也就是说，RS-232规格要求发送输出端的电压幅度必须至少为5V，请见(表三)。

请注意RS-232标准的输出是反向的，也就是说，在TTL端发送高逻辑信号会在RS-232端产生一个等于或低于-5V的负电压，而发送低逻辑信号则会产生等于或高于+5V的正电压，接收器的临界值规定在3V，主要是为了预留资料经过较长缆线传输时的余裕空间并提升对失真的免疫力。

许多人还是认为RS-232发送器必须使用12V电源，事实上这些位准是过去许多年来的非正式标准，原因是它们原本就存在于类比电路上或者更来提供电脑中硬碟机的电源，事实上12V电源对RS-232来说是一个方便但并不是必要的条件，这点可以由表三中的规格看出。

只要提供足够的输出电压就可运作，如果输出达到所要求的最低幅度5V，那么RS-232介面就能够完全符合规格，因此6V的电源对输出电路压降相当低的发送器来说就可能足够，另一方面，12V的振幅则可以提供在工业应用环境下较长缆线传输情况更高的资料传输杂讯免疫力。

但是大部分目​​前的RS-232通讯通常缆线长度都低于3公尺，例如连接行动电话或PDA机座到笔记型电脑，或由小型的电话交换机到桌上型电脑，这些应用常见于办公室或家庭中，因此杂讯免疫力并不是一个大的问题，请注意RS-232标准指定了2500pF的最大负载电容而非最长的缆线长度，因此，就算是采用100pF/m电容值的廉价电缆，都可以在长达25公尺的长度下运作而不会产生任何问题。

第一个挑战：移除大型电源

主要特点是只需单一+5V电源即可运作，因此不再需要对称式的双极式电源，同时它的输出也提供了符合RS-232规格的信号要求。设计这款晶片的简单想法是整合充电帮浦，图一显示了内部的充电帮浦在第一级电路上将输入电压倍增，接着在第二级电路将它反向，透过这样的方式就可以由+5V输入产生理论上+10V的倍增电压，接着再产生同样理论上-10V的反向电压，不过实际上欧姆电压与切换耗损会让MAX232的输出幅度下滑到大约8V。

《图六 RS-232收发器会由内部充电帮浦产生的V+与V-电压取得正电压位准与负电压位准输出》

下一个挑战：单一+3.3V电源

逻辑电源电压下降到3.3V时，双级式充电帮浦的便利解决方案瞬间变得不再适用，MAX232无法在+3.3V下运作，同时在规格上也不允许。理论上来说，将这个低电压经过倍压与反向可以产生6.6V的对称输出，但内部充电帮浦电晶体以及发送器输出电路的耗损太高，造成无法提供符合表三中所列规格的输出幅度，同时还必须注意具备10％高容忍度的3.3V电源可能提供仅+3.0V的最低电压输出。

几乎所有这类晶片都具备低耗电与IEC10000-4-2标准要求15kV的ESD保护，这些新元件拥有配备超低耗损切换电晶体的高效能充电帮浦，同时发送器输出压降也相当低，因此，这些系列就能够在低达3.0V的电源电压下运作，例如内含2个发送器与接收器的MAX3225E在功能上和传统表现良好的MAX232类似，但这一系列的晶片却拥有能够让设计工程师工作更简单的新功能。+3.0V到+5.5V的电源电压范围使得这些元件可以应用到+3.3V或+5V的系统上，对大部分的应用来说，大型制造商只需通过一个标准RS-232元件的验证即可。

稳压充电帮浦可以节省发送器的耗电，一个小型但有效的耗电节省诀窍是限制发送器的输出电压，不幸地是，设计工程师无法改变规定为3kΩ到7kΩ，用来进行驱动器输出终端动作的电阻，在产品规格书上通常会提供发送器的最大负载，也就是3kΩ时，终端电阻上的功率消耗为PDIS = V2/RTERM，因此从方程式中可以看出，限制输出电压基本上能够达到两次方的效果。

较高的电源电压可以带来充电帮浦中较少的切换动作，内建的充电帮浦则能够透过脉冲式控制产生6V的输出，不受电源电压的影响，接着低压降发送输出电路可以提供5.5V的电压，符合RS-232规格的要求，这些电路提供了输出电压不受负载电容影响的卓越稳定性，甚至是在资料传输率超过1Mbps时，请见图七，拥有8V输出幅度的MAX232在终端电阻上的功率消耗为21.3mW，透过输出电压控制可以将它降低到10mW，节省超过50％。

《图七 发送器输出甚至在1Mbps数据传输率与2000pF负载电容情况下都能够符合RS-232规格》

结论

省电的待机模式AutoShutdown与AutoShutdownPlus能够在不需软体介入的情况下自动运作，举例来说，AutoShutdown采用电压触发方式，当RS-232输入上超过30μs没有有效电压存在时元件会自动关闭，这个情况大多发生在缆线未连接或另一端的发送器关闭时，只要在任何一个接收器上出现有效电压，这个元件将立即回复并随时准备开始运作。

这个待机模式拥有两个问题，首先，元件在任一个RS-232接收器输入上存在有效电压时不会进入待机状态，这在另一端的发送电压没有正确地被关闭时可能会造成问题，让元件无法进入省电模式，第二个问题则是元件必须在发送资料前先被唤醒。

AutoShowndownPlus修正了AutoShutdown的缺点，它会监测RS-232端的接收器输入以及TTL端的发送器输入，所采用的边缘触发运作方式对连续信号并不会造成问题，元件会在超过30秒没有任何接收或发送动作后进入待机模式，因此，在RS-232输入端或发送器TTL端输入上的边缘信号会自动唤醒元件。

（作者任职于Maxim）