探索 THVD24x2：工業(yè)通信的理想 RS-485 收發(fā)器解決方案

引言

在工業(yè)通信領(lǐng)域，可靠的數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。RS-485 作為一種廣泛應(yīng)用的串行通信標準，能夠滿足長距離、多節(jié)點通信的需求。然而，惡劣的工業(yè)環(huán)境對通信設(shè)備提出了更高的要求，如故障保護、ESD 防護、抗干擾能力等。今天，我們將深入探討 Texas Instruments 的 THVD24x2 系列收發(fā)器，看看它是如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的。

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THVD24x2 產(chǎn)品概述

THVD24x2 系列包括 THVD2412 和 THVD2442 兩款產(chǎn)品，它們是具有 IEC ESD 保護功能的 ±70V 故障保護、3V 至 5.5V 全雙工 RS-485 收發(fā)器。采用 10-VSON 封裝，適用于空間受限型應(yīng)用。THVD2412 允許高達 250kbps 的數(shù)據(jù)傳輸，而 THVD2442 則適合高達 20Mbps 的高速數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)鍵特性剖析

1. 總線 I/O 保護

• ±70V 直流總線故障保護：在惡劣工業(yè)環(huán)境中，總線電壓瞬變是常見問題。THVD24x2 無需任何外部元件即可在高達 ±70V 的電壓下受到保護，相比標準 RS-485 器件，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計并降低了整體成本。
• ESD 和 EFT 保護：內(nèi)部 ESD 保護電路可根據(jù)高達 ±8 kV 的 IEC 61000-4-2 標準，保護收發(fā)器免受靜電放電的影響，并根據(jù)高達 ±4kV 的 IEC 61000-4-4 標準保護收發(fā)器免受電氣快速瞬變的影響。這使得它在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中具有更高的可靠性。

2. 高速與低功耗

• 兩種速度等級：提供 250kbps（THVD2412）和 20Mbps（THVD2442）兩種速度等級的全雙工器件，可滿足不同應(yīng)用場景對數(shù)據(jù)速率的要求。
• 低功耗設(shè)計：低待機電源電流 <10 μA，運行期間的電流 <5.6 mA，有效降低了系統(tǒng)功耗。

3. 增強型抗干擾性能

• 寬共模電壓范圍：擴展的運行共模電壓范圍為 ±25V，可在更長的電纜敷設(shè)長度和/或存在大接地環(huán)路電壓的情況下實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。
• 增強型接收器遲滯：250mV（典型值）的接收器遲滯可增強抗噪能力，即使在輸入振幅很小的情況下也能保持信號的占空比。

4. 失效防護與熱關(guān)斷

• 失效防護功能：當總線輸入同時開路、短路或空閑時，接收器失效防護功能可提供邏輯高電平狀態(tài)，確保系統(tǒng)在異常情況下仍能穩(wěn)定運行。
• 熱關(guān)斷保護：如果結(jié)溫超過閾值，熱關(guān)斷保護功能會因過多功率耗散而禁用驅(qū)動器和接收器，避免器件損壞。

5. 小封裝節(jié)省空間

采用小型 3mm x 3mm VSON 封裝，可有效節(jié)省布板空間，適用于對空間要求較高的應(yīng)用場景。

應(yīng)用場景廣泛

1. 電機驅(qū)動器

在電機驅(qū)動器中，需要實時、準確地傳輸控制信號和反饋信息。THVD24x2 的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和可靠的總線保護功能，能夠確保電機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2. 工廠自動化和控制

工廠自動化系統(tǒng)通常包含多個節(jié)點，需要長距離、多節(jié)點的通信。THVD24x2 的寬共模電壓范圍和抗干擾能力，使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的工廠環(huán)境，實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。

3. HVAC 系統(tǒng)和樓宇自動化

在 HVAC 系統(tǒng)和樓宇自動化中，需要對各種設(shè)備進行監(jiān)控和控制。THVD24x2 的低功耗設(shè)計和小封裝尺寸，適合安裝在空間有限的設(shè)備中，同時其可靠的通信性能能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4. 電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和電表

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和電表需要在惡劣的電氣環(huán)境中進行數(shù)據(jù)傳輸。THVD24x2 的高 ESD 和 EFT 防護能力，能夠有效抵御電氣干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性。

5. 過程分析和視頻監(jiān)控

過程分析和視頻監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性要求較高。THVD24x2 的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和抗干擾性能，能夠滿足這些應(yīng)用場景的需求。

引腳配置與功能

引腳配置

THVD24x2 采用 10 引腳 VSON 封裝，其引腳配置包括接收數(shù)據(jù)輸出（R）、接收器使能輸入（RE）、驅(qū)動器使能輸入（DE）、傳輸數(shù)據(jù)輸入（D）、接地（GND）、驅(qū)動器同相輸出（Y）、驅(qū)動器反相輸出（Z）、接收器反相總線輸入（B）、接收器同相總線輸入（A）和電源（VCC）。此外，散熱焊盤應(yīng)連接到 GND 平面以獲得最佳熱性能。

功能說明

• 驅(qū)動器功能：當驅(qū)動器使能引腳 DE 為邏輯高電平時，差分輸出 Y 和 Z 跟隨數(shù)據(jù)輸入 D 的邏輯狀態(tài)；當 DE 為低電平時，兩個輸出都變?yōu)楦咦钁B(tài)。
• 接收器功能：當接收器使能引腳 RE 為邏輯低電平時，接收器被啟用；當 RE 為邏輯高電平或處于開路時，接收器輸出為高阻抗。

規(guī)格參數(shù)詳解

1. 絕對最大額定值

• 電源電壓范圍為 -0.5V 至 6.5V，總線電壓范圍為 -70V 至 70V，輸入電壓范圍為 -0.3V 至 5.7V。超出這些范圍運行可能會對器件造成永久損壞。

2. ESD 等級

• 總線端子和 GND 的人體放電模型（HBM）ESD 等級為 ±16000V，除總線端子和 GND 外的所有引腳為 ±4000V；充電器件模型（CDM）ESD 等級為 ±1500V。IEC ESD 等級方面，總線端子和 GND 的接觸放電和空氣間隙放電均為 ±8000V，總線終端的電氣快速瞬變（EFT）等級為 ±4000V。

3. 建議運行條件

• 電源電壓范圍為 3V 至 5.5V，總線端子輸入電壓范圍為 -25V 至 25V，信令速率方面，THVD2412 為 250kbps，THVD2442 為 20Mbps，工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 125°C。

4. 熱性能信息

• 結(jié)至環(huán)境熱阻為 46.7°C/W，結(jié)至電路板熱阻為 19.1°C/W 等，這些參數(shù)對于評估器件的散熱性能非常重要。

5. 功率耗散

• 在不同的負載條件和信號傳輸速率下，THVD2412 和 THVD2442 的功率耗散有所不同。例如，在 RS-485 負載（RL = 54Ω、CL = 50pF）下，THVD2412 在 250kbps 時功率耗散為 315mW，THVD2442 在 20Mbps 時為 355mW。

6. 電氣特性

• 驅(qū)動器：差分輸出電壓幅度在不同負載和電源電壓條件下有所不同，如在 RL = 60Ω、4.5V ≤ VCC ≤ 5.5V 時，典型值為 2.1V 至 3.3V。
• 接收器：總線輸入電流、輸入閾值電壓、輸入遲滯等參數(shù)都有明確的規(guī)定，確保了接收器的可靠性和抗干擾能力。

7. 開關(guān)特性

• 不同速度等級的器件在上升/下降時間、傳播延遲、脈沖延遲等開關(guān)特性方面有所差異。例如，THVD2412 在 250kbps 時，差分輸出上升/下降時間在 VCC = 4.5V 至 5.5V 時典型值為 500 至 710ns；THVD2442 在 20Mbps 時，差分輸出上升/下降時間在 VCC = 4.5V 至 5.5V 時典型值為 4 至 7ns。

應(yīng)用設(shè)計要點

1. 數(shù)據(jù)速率與總線長度

數(shù)據(jù)速率與電纜長度成反比關(guān)系。在設(shè)計應(yīng)用時，需要根據(jù)實際需求選擇合適的數(shù)據(jù)速率和電纜長度。對于大多數(shù) RS-485 系統(tǒng)，常用的數(shù)據(jù)速率介于 10kbps 和 100kbps 之間，但在某些應(yīng)用中，如需要在 4000 英尺或更遠距離范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，可能需要高達 250kbps 的數(shù)據(jù)速率。通過允許一定的小信號抖動（如 5% 或 10%），可以實現(xiàn)更長的距離。

2. 樁線長度

將節(jié)點連接到總線時，收發(fā)器輸入和電纜干線之間的樁線應(yīng)盡可能短。一般來說，樁線的電氣長度或往返延遲應(yīng)小于驅(qū)動器上升時間的十分之一，以減少反射對信號的影響。

3. 總線負載

RS-485 標準規(guī)定驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動 32 個單元負載（UL），1 個單元負載約為 12kΩ 的負載阻抗。由于 THVD24x2 器件包含 1/8 UL 收發(fā)器，其輸入阻抗約為 96kΩ，因此可在 -7V 至 12V 的有限共模范圍內(nèi)將多達 256 個接收器連接到總線。

4. 瞬態(tài)保護

雖然 THVD24x2 收發(fā)器的總線引腳包括針對 ±16kV HBM 和 ±8kV IEC 61000-4-2 接觸放電的片上 ESD 保護，但對于持續(xù)時間較長的瞬變（如浪涌瞬變），可能需要額外的保護措施。建議使用保護電路來抵御 1kV 浪涌（IEC 61000-4-5）瞬變，如使用 SMAJ30CA TVS 二極管。

5. 電源與布局

• 電源去耦：為了在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運行，可使用 100nF 陶瓷電容對 VCC 電源進行去耦，該電容應(yīng)盡可能靠近器件電源引腳。
• 布局指南：在 PCB 設(shè)計過程中，應(yīng)采用高頻布局技術(shù)。將保護電路放置在靠近總線連接器的位置，使用 VCC 和接地平面提供低電感，將保護元件設(shè)計成信號路徑的方向，靠近收發(fā)器、UART 和/或控制器 IC 的 VCC 引腳放置去耦電容器，使用上拉和下拉電阻限制使能線路中的噪聲電流等。

總結(jié)

THVD24x2 系列收發(fā)器以其出色的故障保護、ESD 防護、抗干擾能力和低功耗設(shè)計，成為工業(yè)通信領(lǐng)域的理想選擇。無論是在電機驅(qū)動、工廠自動化還是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用中，都能夠提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。電子工程師在設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)時，可以根據(jù)實際需求靈活選擇 THVD2412 或 THVD2442，并遵循其應(yīng)用設(shè)計要點，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似收發(fā)器的問題，又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。