MAX232 и MAX3232 — преобразователи уровней RS-232

Распиновка

Первый канал занимает выводы 11–14, второй — 7–10. Обозначения в таблице — из даташитов TI. У Maxim выводы 2 и 6 обеих микросхем называются V+ и V−, а входы и выходы MAX3232 — T1IN, T1OUT, R1IN, R1OUT, как у MAX232.

MAX232 у TI выпускается в корпусах PDIP-16, SOIC-16 (узком D и широком DW) и SOP-16, у Maxim — ещё и в керамическом CERDIP-16. MAX3232 у TI есть только в планарных SOIC-16, SSOP-16 и TSSOP-16, а в DIP-16 его выпускает Maxim — MAX3232CPE+ и MAX3232EPE+. Буква E в последнем обозначает у Maxim температурный диапазон −40…85 °C, а не защиту от разрядов по IEC, как у MAX3232E от TI. Расположение выводов во всех этих 16-выводных корпусах одинаковое.

Как работает

Накачка заряда. Внутри две схемы накачки заряда на переключаемых конденсаторах — их ещё называют зарядовыми насосами. По описанию Maxim первая с помощью C1 удваивает 5 В до +10 В на конденсаторе C3 (вывод V+), вторая с помощью C2 инвертирует их в −10 В на C4 (вывод V−) — это без нагрузки. Накачка MAX232 не стабилизирована, и под нагрузкой напряжения проседают: в типовой схеме TI на выводах 2 и 6 около +8,5 и −8,5 В. У MAX3232 обе накачки стабилизированы на +5,5 и −5,5 В: по описанию Maxim они включаются, когда напряжение ниже 5,5 В, и выключаются, когда выше, при любом питании от 3 до 5,5 В.

Передатчики питаются от V+ и V− и инвертируют сигнал: ноль на входе T1IN — плюс на выходе T1OUT, единица — минус (таблица 7-1 TI). Это и нужно RS-232, где логическая единица и состояние покоя передаются отрицательным напряжением. Выходы защищены от замыкания на землю: у MAX232 длительность замыкания не ограничена, ток — ±10 мА типично, но замыкать допускается не больше одного выхода одновременно.

Приёмники тоже инвертируют и выдают логические уровни от VCC. Вход каждого приёмника нагружен на землю сопротивлением 3–7 кОм, типично 5 кОм, — это стандартная нагрузка линии RS-232. Если кабель оборван, на входе ноль вольт, и по таблице 7-2 TI выход приёмника — единица, то есть состояние покоя UART, поэтому оборванный кабель не порождает ложных старт-битов.

Без питания микросхему, по даташитам TI на обе модели, можно безопасно подключать к работающему устройству RS-232 на другом конце кабеля. Со стороны микроконтроллера у обесточенной микросхемы есть ограничения — они разобраны в примере ниже.

MAX232, MAX232A и MAX3232: параметры

Одно название у разных производителей ещё не значит одинаковые цифры. MAX232 от Maxim по таблице характеристик потребляет 5 мА типично и выдаёт ±7,3 В, от TI — 8 мА и ±7 В. MAX3232 от TI гарантирует не меньше 150 кбит/с, от Maxim — не меньше 120 кбит/с, типично 235 кбит/с. Расчёт ведут по даташиту той микросхемы, которая реально стоит на плате.

Если нужно быстрее, TI предлагает совместимые по выводам с MAX3232 микросхемы SN65C3232 и SN75C3232 на 1 Мбит/с, а для MAX232 называет заменой MAX202 — с конденсаторами 0,1 мкФ и защитой 15 кВ по HBM.

Накачка заряда и конденсаторы

В таблице выбора Maxim у MAX232 значатся номиналы «1,0, 0,1» мкФ и скорость «120 (64)» кбит/с. Меньшая скорость, судя по всему, относится к конденсаторам 0,1 мкФ: в тексте даташита это не расшифровано, а электрические характеристики MAX232 Maxim приводит только для 1,0 мкФ. TI для MAX232 даёт лишь 1 мкФ.

C1 и C2 — «летающие» конденсаторы, которые накачка перебрасывает между цепями, C3 и C4 — накопительные на выходах V+ и V−. C3 по примечанию TI можно подключить как к земле, так и к VCC. К питанию добавляют блокировочный конденсатор: в типовой схеме TI для MAX232 — 1 мкФ, и в примере разводки у микросхемы получается пять конденсаторов по 1 мкФ; для MAX3232 — 0,1 мкФ.

Что говорят даташиты о выборе:

• Тип. TI допускает неполярную керамику, а танталовые и электролитические включают строго в той полярности, что на типовой схеме. Maxim для MAX3232 пишет, что тип не критичен, подойдут и полярные, и неполярные.
• Номинал не ниже табличного. Maxim запрещает ставить меньше. С минимальными номиналами он советует убедиться, что ёмкость не слишком уходит с температурой, а при сомнениях брать номинал больше. Пульсации на V+ и V− зависят и от ESR конденсатора, который на холоде обычно растёт. Увеличение ёмкостей, например вдвое, уменьшает пульсации на выходах. C2–C4 можно увеличивать по отдельности, а C1 — только вместе с ними, чтобы не нарушить соотношение.
• Короткие дорожки. TI просит вести дорожки к конденсаторам как можно короче, особенно к C1 и C2, — на них самые быстрые фронты.

Выводы V+ и V− TI в таблице выводов описывает как выходы накачки «только для накопительного конденсатора». Maxim для семейства MAX220–MAX249 допускает отбор небольшого тока на внешние цепи, но предупреждает: напряжения не стабилизированы и проседают с нагрузкой, а выходы передатчиков не должны опуститься ниже ±5 В.

Уровни и пороги

Пороги приёмников лежат между 0,6 и 2,4 В; у MAX232 и у MAX3232 при питании 5 В — между 0,8 и 2,4 В. Это внутри зоны, которую стандарт оставляет между уверенными ±3 В. Отсюда побочный эффект, о котором пишет Maxim: приёмник понимает и логические уровни 0/5 В, хотя и инвертирует их. Задержка приёмника — 500 нс типично у MAX232 и 300 нс у MAX3232.

Входы передатчиков MAX3232 принимают до 5,5 В даже при питании 3,3 В — TI выносит это в список особенностей. А вот выход приёмника всегда идёт от VCC микросхемы: у MAX232 на 5 В единица на ROUT — не ниже 3,5 В, а типично, по таблице Maxim, VCC − 0,4 В, то есть около 4,6 В.

Скорость

TI указывает для MAX232 120 кбит/с при одном переключающемся выходе и называет это же наибольшей рекомендуемой скоростью. Стандартные 115 200 бит/с оказываются на самом пределе, причём 120 кбит/с в таблице — типовое значение, а не гарантированное. MAX232A по таблице выбора Maxim работает до 200 кбит/с. MAX3232 от TI на нагрузке 3 кОм и 1000 пФ гарантирует не меньше 150 кбит/с, поэтому 115 200 бит/с проходят с запасом. Скорость в даташитах нормирована при определённой ёмкости нагрузки — у MAX3232 это 1000 пФ, а ёмкость кабеля растёт с длиной; ограничения длины разобраны в статье об интерфейсе RS-232, ссылка на неё — в начале страницы.

Защита от статики

Разъём RS-232 выходит наружу, и выводы приёмопередатчика первыми получают разряд с пальцев или кабеля. У MAX232 TI нормирует 2 кВ по модели человеческого тела (HBM) и 1 кВ по модели заряженного прибора на всех выводах. В примечании к таблице TI ссылается на документ JEDEC JEP155: для безопасного производства при обычных мерах защиты хватает и 500 В HBM. Значит, 2 кВ — это норма для сборки платы, а не для разъёма, к которому прикасаются руками.

MAX3232 от TI выдерживает 15 кВ HBM на выводах RIN, DOUT и GND и 3 кВ на остальных. Системное испытание по IEC 61000-4-2 — такое же, как для готового изделия, — проходит вариант MAX3232E: ±8 кВ контактным и ±15 кВ воздушным разрядом на выводах RIN и DOUT. В корпусах D, DB и PW (узкий SOIC, SSOP и TSSOP) TI для этой нормы требует конденсатор не меньше 1 мкФ между VCC и землёй. В даташите Maxim на MAX220–MAX249 стойкость MAX232 и MAX232A к разрядам не указана.

Подключение к микроконтроллеру и DB-9

Типовая связка — микроконтроллер, MAX3232 и девятиконтактный разъём DE-9, который обычно называют DB-9. Задействуют первый канал микросхемы:

Номера контактов DB-9 — по схеме TI для разъёма DTE, то есть компьютера: 2 — приём RD, 3 — передача TD, 5 — сигнальная земля. TD по определению идёт от DTE к DCE, поэтому DCE, например модем, передаёт по контакту 2 и слушает контакт 3. Если устройство разведено как DTE, к COM-порту компьютера его подключают нуль-модемным кабелем с перекрёстными 2 и 3; если как DCE — прямым.

Что ещё учесть:

• Питание. TI просит подключать VCC к тому же источнику, что питает логику на входах передатчиков. С 3,3-вольтовым микроконтроллером это MAX3232 на 3,3 В, с 5-вольтовым — MAX232 или MAX3232 на 5 В.
• Второй канал обычно отдают под RTS и CTS. Если он не нужен, вход передатчика MAX3232 подключают к земле или питанию: TI требует, чтобы на всех входах DIN был допустимый уровень, а Maxim прямо пишет, что подтяжки у них нет. У MAX232 свободный вход подтянут внутри, и по Maxim его можно не подключать. Свободный вход приёмника по таблице TI даёт на выходе единицу.
• Блокировочный конденсатор по питанию ставят у самого вывода 16.

На выводе TX микроконтроллера в покое единица, на линии RS-232 после передатчика — минус. Разложить символ на биты и посмотреть, как он выглядит на выводе UART, можно в конструкторе кадра UART, а сам протокол разобран в статье «Интерфейс UART».

Пример: конденсаторы и ток для прибора на батарее

Задача: плата с MAX3232 выпускается в двух вариантах — с питанием 3,3 и 5 В, а работает от батареи ёмкостью 1000 мА·ч. Нужно выбрать конденсаторы и оценить, сколько съест сам преобразователь.

Конденсаторы. Для 3,3 В таблица 9-1 TI даёт 0,1 мкФ на всех местах, для 5 В — C1 = 0,047 мкФ и C2–C4 = 0,33 мкФ. Чтобы не держать две спецификации, берём строку для всего диапазона 3–5,5 В: C1 = 0,1 мкФ, C2–C4 = 0,47 мкФ. По питанию — 0,1 мкФ, как в типовой схеме TI.

Ток без нагрузки. MAX3232 потребляет 0,3 мА типично и до 1 мА, MAX232 на 5 В — 8 мА типично и до 10 мА. Время, за которое батарея разрядится только на преобразователь, — ёмкость, делённая на ток, t = Q/I:

По наибольшим значениям тока: 100 ч у MAX232 против 1000 ч у MAX3232.

Ток с подключённым кабелем. Эти 139 суток — только пока к разъёму ничего не подключено. В покое UART выдаёт единицу, передатчик держит на линии минус, а на другом конце кабеля его постоянно нагружает вход приёмника — 3–7 кОм, типично 5 кОм: так в даташитах TI и в требованиях TIA/EIA-232-F, которые TI приводит в SLLA037A. При типовых для MAX3232 5,4 В через этот вход течёт около 1,1 мА. Отдаёт его вывод V−: инвертор забирает тот же заряд из V+, а удвоитель на каждый кулон, отданный в V+, берёт из VCC два. Множитель 2 — у идеальной накачки заряда, реальная потребляет больше, поэтому дальше — оценка снизу:

Если нагружены оба передатчика, например TX и RTS, ток — около 4,6 мА, и батареи хватит примерно на 220 ч, то есть на 9 суток. Порядок величины подтверждает Maxim: у MAX232A без нагрузки 4 мА типично, а с нагрузкой 3 кОм на обоих выходах — 15 мА.

Поэтому в батарейном приборе преобразователь на время простоя обесточивают или берут модель с режимом отключения. Подключать обесточенную микросхему к работающей линии RS-232 TI разрешает, но со стороны микроконтроллера есть ограничения по предельным режимам:

• у MAX232 вход TIN допускает не больше VCC + 0,3 В, и единица с TX микроконтроллера на обесточенную микросхему выходит за предельный режим; у MAX3232 вход DIN допускает до 6 В независимо от питания;
• выход ROUT у обеих — не выше VCC + 0,3 В, и подтягивающий резистор на входе RX микроконтроллера подаст на обесточенную микросхему недопустимое напряжение.

Режим отключения есть, например, у MAX3222 из того же даташита Maxim — 1 мкА типично, но корпуса у него 18- и 20-выводные, и по выводам с MAX3232 он не совпадает.

Типичные ошибки

• Конденсаторы не от той микросхемы. MAX232 попадает на плату с конденсаторами 0,1 мкФ, рассчитанную на MAX232A или MAX3232. TI для MAX232 приводит только 1 мкФ, Maxim нормирует его характеристики при 1,0 мкФ, а с 0,1 мкФ в таблице выбора указывает лишь 64 кбит/с. Обратная замена тоже требует сверки с таблицей TI.
• Перепутана полярность. Электролитические и танталовые конденсаторы TI требует включать как на типовой схеме. Полностью полярность показана на схеме MAX3232 (рис. 9-1): плюс C1 — к C1+, C2 — к C2+, C3 — к V+, а у C4 плюс на земле, потому что V− отрицательно относительно неё. На схеме MAX232 (рис. 8-1) знаком «+» отмечены только блокировочный конденсатор (плюс к VCC) и C4 (плюс к земле). Если C3 подключён к VCC, его плюс всё равно на V+ — там напряжение выше питания. Перевёрнутый C4 оказывается под обратным напряжением: у MAX232 около 8,5 В, у MAX3232 около 5,5 В.
• MAX232 с 3,3-вольтовым микроконтроллером. От 3,3 В MAX232 не обязан работать: его питание по TI — 4,5–5,5 В. А при питании 5 В его выход ROUT выдаёт не меньше 3,5 В и до напряжения питания — на вход без допуска 5 В его подают через делитель или ставят MAX3232 на 3,3 В.
• Висящий вход передатчика у MAX3232. Подтяжки нет, и вход надо подключить к земле или питанию — особенно при замене MAX232, у которого свободный вход работал благодаря внутренней подтяжке.
• Питание внешних цепей от V+ и V−. TI отводит эти выводы только под накопительные конденсаторы; Maxim допускает небольшой отбор, но при этом выходы передатчиков не должны просесть ниже ±5 В.
• Длинные дорожки к C1 и C2. TI отдельно просит делать их короткими — на этих узлах самые быстрые фронты.
• Передатчик на передатчик. Устройство разведено как DTE и включено в компьютер прямым кабелем: контакт 3 соединяется с контактом 3. Нужен нуль-модем или перекрёстная разводка 2 и 3.

Другие микросхемы для связи микроконтроллера с внешним миром собраны в разделе «Интерфейсные микросхемы». Если кабель длиннее 15–20 м — столько, по оценке TI, соответствует предельной для RS-232 ёмкости 2500 пФ, а на скоростях выше примерно 20 кбит/с на практике около 3 м, — или устройств на линии несколько, вместо RS-232 берут RS-485 — его трансиверы разобраны в карточке SN75176 и SN65HVD3082E.