探索 NCN5151：M - BUS 通信的理想选择

在电子设备通信领域，不断追求更高效、更稳定且节能的通信解决方案是工程师们的目标。今天要为大家介绍一款 onsemi 推出的 NCN5151 有线 M - BUS 从机收发器，它凭借其丰富的功能和出色的性能，在众多同类产品中脱颖而出。

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产品概述

NCN5151 是一款单芯片集成从机收发器，专为两线仪表总线（M - BUS）从机设备和中继器设计。它不仅复用了 NCN5150 的特性，还新增了两种低功耗模式，为不同应用场景提供了更多选择。在低功耗模式下，收发器不再作为恒流源工作，从而有效节省能量。而在 M - BUS 模式下，它能满足欧洲标准 EN 13757 - 2 和 EN 1434 - 3 对 M - BUS 物理层的要求，还具备可编程的功率水平，最高可达 6 个单位负载，并通过 3.3 V LDO 稳压器为外部电路提供电源。

产品特性

单芯片集成

NCN5151 采用单芯片设计，将 M - BUS 收发器的功能集成在一起，减少了外部元件的使用，降低了设计复杂度和成本。这对于空间有限的应用场景，如多能源公用事业仪表，是非常有利的。

低功耗模式

它支持 2 线和 3 线低功耗模式，通过选择输入引脚即可轻松切换。这种设计使得设备在不同的工作场景下都能实现节能，延长电池寿命。例如，在一些对功耗要求较高的无线应用中，3 线低功耗模式可以发挥重要作用。

集成 3.3 V VDD LDO 稳压器

该稳压器具有扩展的峰值电流能力，可达 15 mA，能够为外部电路提供稳定的电源。这确保了设备在各种工作条件下都能正常运行，提高了系统的可靠性。

多种功能支持

NCN5151 支持从总线为从机设备供电，可调节的恒流源在 M - BUS 模式下最高可达 6 个单位负载，在低功耗模式下电流限制可调至 2 个单位负载。此外，它还具有极性独立、电源故障功能、UART 通信速度高达 38400 波特、快速启动等特点，适用于工业环境，工作温度范围为 - 40°C 至 + 85°C，并且是无铅器件，符合环保要求。

电气特性

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。NCN5151 的各项参数都有明确的限制，如结温范围为 - 40°C 至 + 150°C，存储温度范围为 - 55°C 至 + 150°C，总线电压（|BUSL1 - BUSL2|）范围为 - 50 V 至 50 V 等。超过这些额定值可能会损坏器件，影响其功能和可靠性。

热特性

根据 JEDEC JESD51 标准，使用 2S2P 测试板获得的 QFN - 20 RBA 热特性为 38°C/W。这一数据有助于工程师在设计散热方案时进行参考，确保器件在工作过程中不会因过热而出现故障。

推荐工作条件

在实际应用中，遵循推荐的工作条件可以保证器件的性能和稳定性。NCN5151 的环境温度范围为 - 40°C 至 + 85°C，不同模式下的总线电压也有相应的要求。例如，在 M - BUS 模式下，1 - 2 单位负载时总线电压为 9.2 V 至 42 V，3 - 6 单位负载时为 9.7 V 至 42 V；在 2 和 3 线低功耗模式下，1 - 2 单位负载时总线电压为 4.75 V 至 10 V。

电气特性表格

文档中详细列出了 M - BUS 模式、低功耗模式、通用、VDD 稳压器、M - BUS 接收器、低功耗模式接收器、M - BUS 发射器、低功耗模式发射器、VB 监测器以及 2WLPM 和 3WLPM 输入等各方面的电气特性参数。这些参数为工程师在设计电路时提供了精确的参考，帮助他们根据具体需求进行合理的选型和设计。

应用信息

M - BUS 模式

M - Bus 协议

M - BUS 是欧洲用于公用事业仪表和其他传感器通信及供电的标准。主从通信通过电压电平信号和电流调制实现。主设备在空闲或发送逻辑 1 时，向总线施加标称 + 36 V 电压；发送逻辑 0 时，将总线电压降至标称 + 24 V。从设备在空闲或发送逻辑 1 时，从总线汲取固定电流；发送逻辑 0 时，额外汲取标称 15 mA 电流。M - BUS 使用半双工 11 位 UART 帧格式，支持多种通信速度，NCN5151 均能满足这些要求。

总线连接和整流

为了限制故障时从总线汲取的电流，总线应通过串联电阻连接到 BUSL1 和 BUSL2 引脚，通常使用两个 220 Ω 电阻。由于 M - BUS 连接极性独立，NCN5151 会通过半有源桥式整流器对总线电压进行整流。

从机电源供应

从机设备可以由 M - BUS 或外部电源供电。在由 M - BUS 供电时，恒流源 CS1 使从机从总线汲取固定电流，用于为外部存储电容器 (C{STC}) 充电。总线电流由编程电阻 (R{IDD}) 定义，可按 1.5 mA 的增量选择单位负载。当 STC 引脚电压达到 (V{STC,VDDON}) 时，LDO 开启，将 VDD 引脚电压调节至 3.3 V。同时，VDD 引脚需要一个最小 1 μF 的去耦电容器，STC 引脚需要最小 10 μF 的电容，且 (C{STC}/C_{VDD}) 必须大于 9。如果外部传感器电路消耗的电流超过总线允许值，或者在总线不存在时需要保持传感器运行，则需要使用外部电源，如电池。

通信过程

主从通信基于电压电平信号，NCN5151 通过存储标记电平 (V_{MARK}) 来区分主设备信号和其他从设备信号引起的电压降。只有当总线电压降至低于 (VT) 时，NCN5151 才会检测到通信。从设备向主设备通信使用总线电流电平调制，通过编程电阻 (R{RIS}) 可以设置额外的电流。由于 M - BUS 协议是半双工的，回声功能可能会导致数据无效。

电源开关序列和电源故障指示

NCN5151 的电源开关序列和 PF 引脚的操作在文档中有详细说明。PF 引脚用于向微控制器提供总线电源即将崩溃的早期警告，使微控制器能够保存数据并优雅地关闭。通过公式 (t{on }=frac{C{STC }}{I{STC }} V{STC, VDDON }) 和 (t{off }=frac{C{STC }}{I{D D}+I{STC }}left(V{STC, CLAMP }-V{STC, VDDOOFF }right)) 可以计算 (t{on}) 和 (t{off}) 的时间，从而确定所需的 (C_{STC}) 值。

热关断功能

NCN5151 具备热关断功能，在结温过高时会禁用发射器，保护器件免受损坏。

低功耗模式

3 - 线 LP 模式

NCN5151 可以与外部 RF 模块构建极低功耗的通信系统。该模式使用 3 线接口，包括常规总线线路（BUSL1、BUSL2）和开漏引脚（OD）。系统开启时，传感器系统通过 (V{OD}) 检测是否与外部电池模块直接连接，若连接则启用 3WLPM 引脚。从设备与 RF 模块的通信通过 OD 引脚的纯数字信号实现，节省了能量。RF 模块通过电压调制向 NCN5151 发送数据，采用 ON/OFF 键控方式。OD 引脚需要使用 TVS 和串联电阻 (R{OD}) 进行保护，推荐使用 560 Ω 的 (R_{OD}) 电阻，将 OD 引脚电流限制在 20 mA。

2 - 线 LP 模式

该模式使用 2 线接口，也称为 SCR（System for meter Communication and Readout for powerless meters），通过 2WLPM 输入引脚启用。主从通信采用 ON/OFF 键控，从设备向主设备通信使用电流调制，但电流调制幅度降低了 33%（10 mA 对比 15 mA），以适应低电源电压。

模式识别

NCN5151 包含一个 VB 电压监测器，通过输出引脚 PMODE 指示 VB 电压是否高于典型值 9.5 V。传感器系统根据此信息和 OD 状态引脚确定相关模式，并使用 2WLPM 和 3WLPM 引脚向 NCN5151 发送所选的操作模式。需要注意的是，2WLPM 和 3WLPM 引脚不能同时启用，否则可能导致与主设备的通信失败。

CS1 电流源和 STC 钳位

与 M - BUS 模式不同，在低功耗模式下，NCN5151 不作为恒流负载工作。STC 钳位电平（(V{STC,CLAMP,LP})）高于低功耗模式电源（典型值 9.5 V），以确保在正常工作范围内不会触发。CS1 在启动和 ON/OFF 键控期间仅作为电流限制器，稳态时 CS1 块在 STC 和 VB 之间被夹断。低功耗模式下的电流限制是 M - BUS 模式的两倍，这使得 (C{STC}) 在 ON/OFF 键控期间能够更快地充电，占空比接近 50%。

低功耗模式和最小工作电压

为了使 NCN5151 在低功耗模式下获得最大电压，需要采取一些预防措施。例如，将 220 Ω 的总线电阻替换为限流电阻（典型值 33 Ω，PTC 类型且操作迅速），以减少电压降，特别是在 2WLPM 模式下从设备向主设备进行电流调制时。同时，在 BUSL1/BUSL2 和 VB 引脚之间需要使用外部肖特基二极管（正向电压最大 0.3 V），以降低内部二极管桥的整体电压降。此外，在 ON/OFF 键控期间，STC 引脚的电压必须保持在 3.8 V 以上，以确保低压差稳压器能够正确调节 VDD 电源引脚。

总结

NCN5151 作为一款功能强大的 M - BUS 从机收发器，具有丰富的特性和出色的性能，适用于多种应用场景，特别是多能源公用事业仪表。其低功耗模式的设计为节能应用提供了有效的解决方案，而详细的电气特性和应用信息为工程师的设计提供了全面的参考。在实际应用中，工程师需要根据具体需求，合理选择工作模式，正确设计电路，确保 NCN5151 能够发挥最佳性能。大家在使用 NCN5151 过程中有遇到什么问题或者有更好的应用方案吗？欢迎在评论区分享交流。