THVD1454：靈活的半雙工 RS - 485 收發(fā)器設(shè)計解析

在工業(yè)自動化、樓宇控制等眾多領(lǐng)域，RS - 485 通信標(biāo)準(zhǔn)憑借其長距離傳輸、多點通信等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的 THVD1454，一款具有集成 120Ω 可切換終端和壓擺率控制功能的 3V 至 5.5V 半雙工 RS - 485 收發(fā)器，看看它在實際設(shè)計中能為工程師們帶來哪些便利和優(yōu)勢。

文件下載：thvd1454.pdf

一、產(chǎn)品概述

THVD1454 是一款專為工業(yè)應(yīng)用打造的靈活半雙工 RS - 485 收發(fā)器。它不僅符合或超出 TIA/EIA - 485A 標(biāo)準(zhǔn)要求，還具備片上 120Ω 端接電阻器和驅(qū)動器輸出壓擺率控制等功能，且這兩個特性均由引腳控制。這使得該器件可以在任何網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點位置（末端節(jié)點或中間節(jié)點）使用，無論是慢速還是快速通信場景。終端設(shè)備設(shè)計人員可以設(shè)計通用印刷電路板（PCB），并使用軟件配置 PCB 來滿足各種應(yīng)用需求，從而節(jié)省設(shè)計和鑒定時間。

二、關(guān)鍵特性分析

2.1 電源與兼容性

• 寬電源電壓范圍：支持 3V 至 5.5V 電源電壓，這使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
• PROFIBUS 兼容性：在 5V 電源下，差分輸出超過 2.1V，與 PROFIBUS 兼容，為工業(yè)現(xiàn)場總線通信提供了便利。

2.2 數(shù)據(jù)速率與端接控制

• 可配置數(shù)據(jù)速率：通過 SLR 引腳控制，最大數(shù)據(jù)速率可配置。當(dāng) SLR 為高電平時，數(shù)據(jù)速率為 500 kbps；當(dāng) SLR 為低電平或懸空時，數(shù)據(jù)速率可達(dá) 20 Mbps。這種可配置性使得它能適應(yīng)不同的通信速率要求。
• 片上端接電阻：總線引腳之間的引腳控制片上 120Ω 端接電阻，通過 TERM 引腳控制其啟用或禁用。這一特性簡化了 PCB 設(shè)計，減少了外部元件的使用。

2.3 保護(hù)特性

• ESD 保護(hù)：總線引腳具備出色的 ESD 保護(hù)能力，可耐受 ±16kV HBM ESD、±8kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電、±15kV IEC 61000 - 4 - 2 空氣間隙放電以及 ±4kV IEC 61000 - 4 - 4 快速瞬變脈沖，無需額外的系統(tǒng)級保護(hù)元件。
• 總線故障保護(hù)：具備 ±16V 總線故障保護(hù)，確保在總線引腳上出現(xiàn)異常電壓時，器件仍能正常工作。
• 熱保護(hù)：具有熱關(guān)斷功能，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到典型的 170°C 時，會禁用驅(qū)動器輸出，保護(hù)器件不受過熱損壞。

2.4 低功耗設(shè)計

• 關(guān)斷電源電流：關(guān)斷電源電流小于 5μA，在不工作時能有效降低功耗。
• 運行期間靜態(tài)電流：運行期間靜態(tài)電流小于 3mA，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的整體功耗。

三、引腳配置與功能

通過這些引腳，我們可以方便地控制收發(fā)器的工作模式、數(shù)據(jù)速率和端接電阻等功能。

四、應(yīng)用設(shè)計要點

4.1 典型應(yīng)用場景

THVD1454 適用于工廠自動化與控制、樓宇自動化、電機(jī)驅(qū)動、電力輸送、工業(yè)運輸、HVAC 系統(tǒng)、智能電表等多種工業(yè)應(yīng)用場景。在這些場景中，它可以實現(xiàn)可靠的 RS - 485 通信。

4.2 設(shè)計要求與考慮因素

• 數(shù)據(jù)速率與總線長度：數(shù)據(jù)速率和電纜長度之間存在反比關(guān)系。一般來說，數(shù)據(jù)速率越高，電纜長度越短；反之，數(shù)據(jù)速率越低，電纜長度越長。在設(shè)計時，需要根據(jù)實際需求合理選擇數(shù)據(jù)速率和電纜長度。
• Stub 長度：連接節(jié)點到總線時，Stub 長度應(yīng)盡可能短。一般來說，Stub 的電氣長度應(yīng)小于驅(qū)動器上升時間的十分之一。THVD1454 的壓擺率控制功能可以使驅(qū)動器輸出上升或下降時間變慢，從而適當(dāng)增加 Stub 長度。
• 總線加載：RS - 485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，合規(guī)的驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動 32 單位負(fù)載（UL）。由于 THVD1454 由 1/8 UL 收發(fā)器組成，因此最多可以將 256 個收發(fā)器連接到總線上。
• 接收器故障保護(hù)：THVD1454 的差分接收器具有故障保護(hù)功能，在總線出現(xiàn)開路、短路或空閑等異常狀態(tài)時，接收器輸出會保持高電平，確保輸出狀態(tài)的確定性。
• 瞬態(tài)保護(hù)：雖然 THVD1454 本身具備一定的 ESD 保護(hù)能力，但在工業(yè)環(huán)境中，還可能會遇到更長持續(xù)時間的瞬態(tài)干擾，如浪涌瞬變。因此，在設(shè)計時，可能需要添加外部瞬態(tài)保護(hù)設(shè)備，如 TVS 二極管、MOV 等。

4.3 電源與布局建議

• 電源：為了確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運行，$V_{CC}$ 電源應(yīng)使用一個 1μF 的陶瓷電容進(jìn)行去耦，且該電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳。
• 布局：在 PCB 設(shè)計時，應(yīng)采用高頻布局技術(shù)，將保護(hù)電路靠近總線連接器，使用 $V{CC}$ 和接地平面提供低電感，合理設(shè)計保護(hù)組件的方向，避免瞬態(tài)電流偏離信號路徑。同時，應(yīng)在 $V{CC}$ 引腳附近使用至少 1μF 的去耦電容，并使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉電阻來限制邏輯線路中的噪聲電流。

五、總結(jié)

THVD1454 作為一款功能強(qiáng)大、靈活的半雙工 RS - 485 收發(fā)器，憑借其可配置的數(shù)據(jù)速率、集成的端接電阻、出色的保護(hù)特性和低功耗設(shè)計，為工業(yè)應(yīng)用中的 RS - 485 通信提供了優(yōu)秀的解決方案。在實際設(shè)計中，工程師們可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置引腳功能，遵循電源和布局建議，以實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的通信。大家在使用 THVD1454 過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的設(shè)計經(jīng)驗?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享交流。