在選用積體電路產品時，目前大多數設計工程師都會同時注重低耗電以及運作效能表現，每顆晶片所節省的幾mA靜態耗電看起來雖然不多，但對擁有數10顆晶片的電路板而言累積起來的結果也是不可忽視的，透過這樣的節省方式可以搭配使用較小型的電源，同時耗電也較低，而對以電池運作的小型化便攜式設備來說，電源的節省還能帶來更長的電池運作時間。

由於採用了低耗電CMOS製程與智慧化電源管理，目前可攜式設備的運作時間已經可以達到相當長，電源電壓在過去數年也大幅降低，目前已經有許多設計採用3.3V的主電源，甚至可以由單一顆鋰離子電池直接運作。半導體製造商在過去為了滿足這些低電壓環境上RS-232標準的普遍需求也想出了許多聰明的做法，但現在卻必須為節省更多的耗電而進行妥協，這篇文章將討論如何透過採用相容但非完全符合的策略來以最低可能的耗電實現介面的來運作。

終極挑戰：低於+3.0V的電源

目前許多小型化掌上型設備的電源由於採用新次微米CMOS製程技術，同時希望能夠在運作時節省更多的耗電而逐漸下降到低於+3.0V，處理器核心的標準電源甚至可以低達0.8V，輸出入電壓則接近2.5V，同時還有可能繼續降低，因此，PDA、行動電話與掌上型電腦的製造商都相當需要能夠在低於3.0V電源電壓下運作的低耗電串列介面元件，這類應用通常用來提供掌上型電腦與筆記型或桌上型電腦間的連線，以及行動電話與筆記型電腦或桌上型電腦間的資料傳輸，但問題是如何在低電壓情況下產生符合RS-232標準的發送電壓輸出？

一個簡單的解決方法是透過採用電感器的升壓轉換器來產生正向電壓，接著再利用充電幫浦反相電路來取得負電壓，例如MAX3218升壓轉換器就可以以低達+1.8V的電源提供符合RS-232的輸出位準，不過這樣的結構卻有幾個缺點。

首先，更低的電源電壓代表了需要更高的電流來操作這個串列介面，例如標準3kΩ/2500pF並聯負載下的120kbps串列連結會由+2.5V電源耗用50mA的電流，請參考(圖一)。整體125mW的功率消耗對串列介面來可以說相當高，同時所搭配的電感也會承載很高的尖峰電流，要搭配MAX3218運作，電感器的直流規格要求為350mA，同時，許多設計工程師並不想要在設計中加入另一個交換式電源以避免帶來更多的雜訊，特別是在已經會在發送信號時從電池要求瞬間大量電流的行動電話設計上。

《圖一 MAX3218在充電幫浦反向器之後採用了升壓轉換器，同時耗電會隨著更低的電源電壓而升高》

為什麼不採用3個充電幫浦的做法？

三個充電幫浦的組合提供了另一個RS-232電源的直接解決方式，請見(圖二)，其中第一個幫浦將輸入電壓由+2.5V倍增到+5V，但充電幫浦以及發送電路上的壓降會讓電壓無法達到符合RS-232標準的5V輸出位準，因此就透過另外兩個充電幫浦就用來產生所需的+5V與-5V發送電壓輸出。

雖然適合較高的電源電壓，但這個組態並不適合以低電壓運作的低耗電RS-232元件，第一個缺點是效率不高，假設在120kbps資料傳輸率時需要5mA的發送電流，同時並聯標準的3kΩ/2500pF負載而且每部分充電幫浦效率為80％，那麼輸入電流為42mA，雖然只簡略使用了第一階估算，輸入電流顯示所需耗用的105mW功率水準並沒有比MAX3218改善多少。

三個充電幫浦組合晶片產品可以雖然免除切換式直流─直流轉換器，但由於在第三個充電幫浦上用來進行電容充放電的功率MOSFET需要較大的晶片面積，因此無法得到較小的尺寸，同時也會造成較大的包裝與較高的成本，另外，這些元件也比使用二個充電幫浦的方式多需要二個外部電容，在實現低電壓、低耗電串列介面元件時就採用了另外一種做法。

《圖二 由於效率不高，因此採用3個充電幫浦來產生符合RS-232標準發送器輸出電壓的作法並不適合低耗電RS-232元件》

這些元件能夠適用於掌上型電腦、手持式儀器、PDA與行動電話，同時也都與RS-232介面標準相容，並符合EIA/TIA-562標準規格，也就是發送輸出振幅低於5V但高於3.7V，所有運作都採用雙充電幫浦，不需直流─直流轉換器或3個充電幫浦，因此可以得到低上許多的工作耗電，這些元件的其他特性還包括高ESD保護能力與採用小型的包裝供貨。

在採用MAX3316E收發器進行設計時，以上的120kbps串介面電路僅會由2.5V電源耗用15mA，雖然2500pF的負載代表了相當長的連接纜線，但大部分的便攜式設備並不會使用15公尺長的纜線來連接到個人電腦，因此較合理的長度大約為2公尺甚至更短，而這類纜線的電容性負載最高為500pF，因此可以進一步將工作耗電降低到8mA，帶來僅20mW的電力消耗，請見(圖三)。其實規則相當簡單，由於較短的串列資料纜線由電源電壓的耗電更低，因此在較短的纜線上，遠高於4V與遠低於-4V的發送器輸出電壓可以符合EIA/TIA-562標準規格並且與RS-232相容。

《圖三 MAX3316E從2.5V電源僅耗的電流，請見圖左，圖右中它的發送器輸出電壓與RS-232規格相容並符合EIA/TIA-562規格》

所有電子放置可攜式設備上並免除主動式纜線

PDA與高階行動電話通常都需要與筆記型或桌上型電腦交換檔案，這類設備中的串列資料連結經常被使用，因此在便攜式設備上加入RS-232收發器的動作就相當合理，讓符合RS-232標準或相容RS-232電壓位準的信號能夠透過小型化連接器直接提供，使得纜線的連接頭再也不需要加上主動式電路，讓電路可以成為完全被動式的設計。

在RS-232收發器的邏輯端進行ESD保護則是另一個優勢，一種稱為晶片級包裝（Chip Scale Packaging）的新型封裝技術可以帶來最小可能的晶片尺寸，並且能夠以相當小的電路板佔用面積整合到便攜式設備上，這類包裝的尺寸通常比晶片本身大不了多少，並且透過以矩陣方式安排的球閘陣列接點焊接到電路板上，MAX3228E就以這種新包裝形式供貨。採5 x 6球閘陣列矩陣，大小則為2.5mm x 3mm，因此佔用面積僅7.5mm2，(圖四)包含了MAX3228E的功能方塊圖、腳位安排以及這顆晶片如何安排到便攜式設備上的尺寸圖，只需4顆小型的100nF電容就能使晶片內的雙階充電幫浦運作。

除了具備二個發送器與二個接收器的MAX3228E外，同樣採用UCSP包裝的MAX3229E則包含一個發送器與一個接收器，這兩顆晶片都內含AutoShutdowm自動關機功能，和應用在資料纜線範例中的MAX3388E一樣，MAX3228E包含有一根能夠以低達1.65V運作的VL接腳來搭配低電壓邏輯系統。

《圖四 內含2個發送器與2個接收器》

儘可能符合規格

以CSP包裝供貨的MAX3228E與MAX3229E可以接受+2.5V到+5.5V的寬廣電源電壓範圍，為了符合RS-232規格，假設VCC夠高，每個元件的輸出電壓大小會在VCC電源低於大約+3.1V時由符合改變為相容，讀者可以參考(表二)中相關的細節，降低的輸出位準同時也可以透過降低耗電來延長電池的使用壽命。

對VCC輸入來說，內建大約400mV的遲滯區間可以避免VCC電源雜訊太大或工作耗電步階變化時造成輸出位準的改變，當VCC上升超過約+3.5V時，輸出將會回到符合RS-232規格的位準，這項功能讓MAX3228E可以透過單一鋰離子電池供電運作，因此，MAX3228E在電池完全充電的情況下可以帶來完全符合規格標準的輸出電壓幅度變化，當電池逐漸放電後，在某個電壓點元件會自動切換到RS-232相容輸出，因此就能夠確保串列連接埠的運作直到電池完全放電為止。

要相容不必完全符合

要節省功率的簡單公式是要相容而不必完全符合RS-232規格，在透過較短纜線通訊時，事實上並不一定要嚴格地符合5V的輸出電壓幅度，原因是接收器的輸入臨界值規格為+3V與-3V，而在較短的RS-232纜線上不太可能會有2V的壓降，雖然這個情況看起來違反了(表一)中的RS-232規格標準，但請注意這些電氣規格是在90年代早期所制定的完全相容RS-232規格。

而EIA/TIA-562則是依要在較低電源電壓下支援串列資料通訊，特別是在較單純環境，例如辦公室、家庭或旅館中以較短距離纜線連接的情況，主要目標是提供以電池運作的便攜式設備與電腦間的通訊，可以比較表一中EIA/TIA-562規格的主要參數與(表三)的RS-232規格，基本上兩個規格都沒有定義最長的纜線長度，但EIA/TIA的最大電容性負載1000pF顯示了它在纜線長度上會比2500pF的RS-232要短。

EIA/TIA最高定義60kbps資料傳輸率較高，但120kbps以及更高的資料率早就已經在許多應用上使用，它的最低發送器輸出幅度3.7V比RS-232規格低1.3V，同時也相容於較單純環境且較低的纜線壓降，3.7V與接收器臨界電壓+3V與-3V比較，保留了700mV的餘裕空間，因此，RS-232接收器在接收由符合EIA/TIA-562標準發送出來的信號時並不會有什麼問題。

雖然最高輸出幅度規定為13.2V，但如以上所討論，我們的目標是透過以最低可能的電壓進行串列介面運作來節省耗電，在實際應用上，真正的接收器臨界電壓可能低於+3V或高於-3V，雖然沒有特別指定，這事實上提供了另一個安全區間，舊式內含4個接收器的MC1489大約擁有1.3V與1.0V的高與低接收輸入臨界值，相對地和其他介面元件一樣，MAX3225E臨界值則為1.5V與1.2V，因此，假設大部分的正臨界電壓值低於2.0V且負臨界電壓值高於0V，那麼將可以為纜線上的壓降帶來更大的餘裕空間。

典型的資料纜線應用

在(圖五)中的簡單資料纜線電路上，介面驅動電路通常會被安排在插入便攜式設備的小型化連接器中，對需要較少接收器或發送器的應用。在這個例子中選擇MAX3388E的主要原因是它提供了能夠協助解決資料纜線問題，例如邏輯位準的好處，RS-232介面元件的接收器輸出通常會在0V與VCC間變動，但如果便攜式設備上的邏輯輸出入接腳以低於VCC的電壓運作時，還可能會超過，MAX3388E因此提供了一個獨立的邏輯電源輸入VL，可以用來設定接收器輸出的高邏輯電壓位準以及發送器輸入的臨界電壓。

VL接腳可以在低達1.8V電壓下運作，並且帶來與大部分便攜式設備介接的彈性，同意可以簡化介面的是能夠將輸出電壓設定為所需邏輯電壓擺幅的低壓降（Low-Dropout）線性穩壓器，或者也可以利用齊納（Zener）二極體或串接數個1N4148二極體的壓降來提供低成本的VL電壓穩壓效果，如果小型化連接器上的VCC保持穩定，事實上內部的LDO已經將輸出電壓穩壓，那麼可能只需利用電阻式分壓電路就足以調整VL的電壓輸出，不過由於VL被用來提供接收器的輸出，因此這個解決方案會受到接收器輸出負載電容與流經行動設備電流的影響，所以可能需要較低歐姆數的電阻分壓電路來避免VL接腳上較大的電壓變化。

《圖五 資料纜線設計可以透過可控制邏輯電壓與能夠用來產生振鈴指示》

更多的輔助功能

MAX3388E中的第3個發送器可以用來產生提供個人電腦或筆記型電腦UART警示的振鈴指示信號，它能夠產生搭配軟體程式的中斷信號，提供便攜式設備與電腦間的全雙工通訊。MAX3388E包含一個外部電路，例如基座應用中熱同步（hot-sync）電路用的電源切換開關，同時也在RS-232端與CMOS邏輯端之間配備一個邏輯位準接收器，採開汲極輸出，這個邏輯接收器同樣適用於熱同步以及其他特別的通訊應用。

所有RS-232端的發送器與接收器都擁有15KV的ESD保護，圖五中並未顯示的資料纜線邏輯端可能需要額外的ESD保護，對MAX3238E與MAX3248E等RS-232收發器來說，不管是邏輯或是RS-232端都具備有ESD保護，這些元件在VCC等於+3.0V時都還能符合RS-232規格，並在VCC低達+2.7V時還能保持與RS-232相容。

更小的佔用面積、最低的耗電，以+5V運作的RS-232相容元件

數位相機、銷售終端系統與機頂盒通常都包含有一個RS-232串列介面並採單一+5V電源運作，這些應用大多使用較短的資料傳輸纜線，因此EIA/TIA- 562標準通常就已經足夠，其他環繞MAX3311E所設計的收發器產品就是針對這類應用，這些僅需單一+5V電源的元件採用了可以節省外部電容的單一充電幫浦，同時它們所採用μMAX包裝也只佔用相當小的電路板面積，這些元件同時提供了RS-232相容的發送輸出擺幅，MAX3311E可能是目前市面上耗電最低的串列介面元件，在120kbps資料傳輸率以及低於500pF電容的短距離纜線下，工作耗電低於2.5mA！

RS-232收發器：今日晶片的發展歷程

早期的RS-232介面元件相當耗電，20多年前，標準設備上大多會內建一個串列介面，之後就有廠商推出內含四個發送器的MC1488 與四個接收器的MC1489，直到今天，還有許多公司提供這類元件，由於採用雙載子矽晶片製程生產，因此靜態耗電相當高。

在過去的這段時間，MC1488與MC1489配對總耗電超過700mW，在發送資料時，這對晶片的其他驅動電流與纜線充電耗損更將功率消耗推升到高達1W，一直以來，發送器元件的一個重大缺點是需要電源電壓提供對稱的約12V電源，接收器則能夠以單一+5V電源運作，因此光RS-232連接埠就需要三種不同的電源電壓，對桌上型電腦來說情況則更糟，因為兩組COM串列介面通常採用內含3個發送器與5個接收器的標準SN75185驅動元件，功率消耗為1.2W，甚至是在介面並未使用的狀態下。

CMOS製程，黑暗中的光明

CMOS製程的商業化應用帶來了以上高耗電晶片的低耗電版本，CMOS版本產品以及在接收器輸入與發送器輸出具備高階ESD保護的元件，內含4個發送器的MAX14881與4個接收器MAX14891的組合靜態耗電大約只有7.32mW，大約是雙載子版本的1％。

這些元件還是需要三種電源電壓，不過這個問題相當容易解決，不需設計一個主要用來提供靜態電流的複雜電源，可以利用像是ICL7660做為倍壓器，搭配ICL7662做為電壓反向器等小型充電幫浦來由+5V產生所需的電壓，在當時通常為2.4kbps到9.6kbps的低資料傳輸率情況下，發送電流與纜線耗損也相當低，因此由充電幫浦所提供約達10mA的電流就足以供應串列介面的運作。

RS-232規格

如果在系統中已經包含以15V運作的類比電路，例如運算放大器，那麼就可以透過它取得RS-232所需的電源電壓，否則所需的串列介面電源電壓就必須由以+5V電源運作的數位系統產生，也就是說，RS-232規格要求發送輸出端的電壓幅度必須至少為5V，請見(表三)。

請注意RS-232標準的輸出是反向的，也就是說，在TTL端發送高邏輯信號會在RS-232端產生一個等於或低於-5V的負電壓，而發送低邏輯信號則會產生等於或高於+5V的正電壓，接收器的臨界值規定在3V，主要是為了預留資料經過較長纜線傳輸時的餘裕空間並提升對失真的免疫力。

許多人還是認為RS-232發送器必須使用12V電源，事實上這些位準是過去許多年來的非正式標準，原因是它們原本就存在於類比電路上或者更來提供電腦中硬碟機的電源，事實上12V電源對RS-232來說是一個方便但並不是必要的條件，這點可以由表三中的規格看出。

只要提供足夠的輸出電壓就可運作，如果輸出達到所要求的最低幅度5V，那麼 RS-232介面就能夠完全符合規格，因此6V的電源對輸出電路壓降相當低的發送器來說就可能足夠，另一方面，12V的振幅則可以提供在工業應用環境下較長纜線傳輸情況更高的資料傳輸雜訊免疫力。

但是大部分目前的RS-232通訊通常纜線長度都低於3公尺，例如連接行動電話或PDA機座到筆記型電腦，或由小型的電話交換機到桌上型電腦，這些應用常見於辦公室或家庭中，因此雜訊免疫力並不是一個大的問題，請注意RS-232標準指定了2500pF的最大負載電容而非最長的纜線長度，因此，就算是採用100pF/m電容值的廉價電纜，都可以在長達25公尺的長度下運作而不會產生任何問題。

第一個挑戰：移除大型電源

主要特點是只需單一+5V電源即可運作，因此不再需要對稱式的雙極式電源，同時它的輸出也提供了符合RS-232規格的信號要求。設計這款晶片的簡單想法是整合充電幫浦，圖一顯示了內部的充電幫浦在第一級電路上將輸入電壓倍增，接著在第二級電路將它反向，透過這樣的方式就可以由+5V輸入產生理論上+10V的倍增電壓，接著再產生同樣理論上-10V的反向電壓，不過實際上歐姆電壓與切換耗損會讓MAX232的輸出幅度下滑到大約8V。

《圖六 RS-232收發器會由內部充電幫浦產生的V+與V-電壓取得正電壓位準與負電壓位準輸出》

下一個挑戰：單一+3.3V電源

邏輯電源電壓下降到3.3V時，雙級式充電幫浦的便利解決方案瞬間變得不再適用，MAX232無法在+3.3V下運作，同時在規格上也不允許。理論上來說，將這個低電壓經過倍壓與反向可以產生6.6V的對稱輸出，但內部充電幫浦電晶體以及發送器輸出電路的耗損太高，造成無法提供符合表三中所列規格的輸出幅度，同時還必須注意具備10％高容忍度的3.3V電源可能提供僅+3.0V的最低電壓輸出。

幾乎所有這類晶片都具備低耗電與IEC10000-4-2標準要求15kV的ESD保護，這些新元件擁有配備超低耗損切換電晶體的高效能充電幫浦，同時發送器輸出壓降也相當低，因此，這些系列就能夠在低達3.0V的電源電壓下運作，例如內含2個發送器與接收器的MAX3225E在功能上和傳統表現良好的MAX232類似，但這一系列的晶片卻擁有能夠讓設計工程師工作更簡單的新功能。+3.0V到+5.5V的電源電壓範圍使得這些元件可以應用到+3.3V或+5V的系統上，對大部分的應用來說，大型製造商只需通過一個標準RS-232元件的驗證即可。

穩壓充電幫浦可以節省發送器的耗電，一個小型但有效的耗電節省訣竅是限制發送器的輸出電壓，不幸地是，設計工程師無法改變規定為3kΩ到7kΩ，用來進行驅動器輸出終端動作的電阻，在產品規格書上通常會提供發送器的最大負載，也就是3kΩ時，終端電阻上的功率消耗為PDIS = V2/RTERM，因此從方程式中可以看出，限制輸出電壓基本上能夠達到兩次方的效果。

較高的電源電壓可以帶來充電幫浦中較少的切換動作，內建的充電幫浦則能夠透過脈衝式控制產生6V的輸出，不受電源電壓的影響，接著低壓降發送輸出電路可以提供5.5V的電壓，符合RS-232規格的要求，這些電路提供了輸出電壓不受負載電容影響的卓越穩定性，甚至是在資料傳輸率超過1Mbps時，請見圖七，擁有8V輸出幅度的MAX232在終端電阻上的功率消耗為21.3mW，透過輸出電壓控制可以將它降低到10mW，節省超過50％。

《圖七 發送器輸出甚至在1Mbps資料傳輸率與2000pF負載電容情況下都能夠符合RS-232規格》

結論

省電的待機模式AutoShutdown與AutoShutdownPlus能夠在不需軟體介入的情況下自動運作，舉例來說，AutoShutdown採用電壓觸發方式，當RS-232輸入上超過30μs沒有有效電壓存在時元件會自動關閉，這個情況大多發生在纜線未連接或另一端的發送器關閉時，只要在任何一個接收器上出現有效電壓，這個元件將立即回復並隨時準備開始運作。

這個待機模式擁有兩個問題，首先，元件在任一個RS-232接收器輸入上存在有效電壓時不會進入待機狀態，這在另一端的發送電壓沒有正確地被關閉時可能會造成問題，讓元件無法進入省電模式，第二個問題則是元件必須在發送資料前先被喚醒。

AutoShowndownPlus修正了AutoShutdown的缺點，它會監測RS-232端的接收器輸入以及TTL端的發送器輸入，所採用的邊緣觸發運作方式對連續信號並不會造成問題，元件會在超過30秒沒有任何接收或發送動作後進入待機模式，因此，在RS-232輸入端或發送器TTL端輸入上的邊緣信號會自動喚醒元件。

（作者任職於Maxim）