采用小型封裝、具有 ±12kV IEC ESD 保護(hù)功能的 THVD1400、THVD1420 3.3V 至 5V RS - 485 收發(fā)器解析

在工業(yè)通信領(lǐng)域，RS - 485 接口憑借其長距離、多節(jié)點(diǎn)通信的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。今天，我們就來詳細(xì)探討一下 TI 推出的兩款低功耗、半雙工 RS - 485 收發(fā)器：THVD1400 和 THVD1420。

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產(chǎn)品概述

THVD1400 適用于高達(dá) 500kbps 的數(shù)據(jù)傳輸，而 THVD1420 則可支持高達(dá) 12Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸。這兩款收發(fā)器由 3 至 5.5V 單電源供電，總線引腳具備寬共模電壓范圍和低輸入泄漏，非常適合長線纜上的多點(diǎn)應(yīng)用。同時(shí)，它們還具有出色的 ESD 和 EFT 保護(hù)功能，能有效應(yīng)對(duì)工業(yè)環(huán)境中的各種干擾。

產(chǎn)品特性剖析

電氣性能

1. 電源電壓范圍廣：支持 3V 至 5.5V 的電源電壓，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境，為設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。
2. 數(shù)據(jù)速率差異：THVD1400 數(shù)據(jù)速率為 500kbps，THVD1420 可達(dá) 12Mbps，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇合適的型號(hào)。
3. 低功耗設(shè)計(jì)：低待機(jī)電源電流小于 1μA，運(yùn)行期間靜態(tài)電流典型值為 1.5mA，有助于降低系統(tǒng)功耗，延長設(shè)備使用壽命。

保護(hù)特性

1. ESD 保護(hù)：內(nèi)部 ESD 保護(hù)電路可根據(jù)高達(dá) ±12kV（接觸放電）、±15kV（空氣間隙放電）的 IEC 61000 - 4 - 2 標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)收發(fā)器免受靜電放電的影響。
2. EFT 保護(hù)：根據(jù)高達(dá) ±4kV 的 IEC 61000 - 4 - 4 標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)收發(fā)器免受電氣快速瞬變的影響，大大提高了設(shè)備在工業(yè)環(huán)境中的可靠性。
3. 總線故障保護(hù)：具備 ±16V 總線故障保護(hù)，能有效防止總線引腳上的過壓情況對(duì)器件造成損壞。

封裝優(yōu)勢

提供小型、節(jié)省空間的 8 引腳 SOT 封裝選項(xiàng)（2.1mm x 1.2mm），同時(shí)也有業(yè)界通用的 8 引腳 SOIC 封裝可供選擇，方便不同的 PCB 布局需求。

其他特性

1. 較大接收器滯后：用于噪聲抑制，可有效提高信號(hào)的抗干擾能力。
2. 無干擾上電/斷電：適用于熱插拔功能，確保系統(tǒng)在插拔過程中不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或設(shè)備損壞的情況。
3. 開路、短路和空閑總線失效防護(hù)：差分接收器在開路總線、總線短路和空閑總線條件下，能輸出失效防護(hù)邏輯高電平狀態(tài)，保證接收器輸出明確。
4. 1/8 單位負(fù)載：可將多達(dá) 256 個(gè)接收器連接到總線，滿足大規(guī)模節(jié)點(diǎn)通信的需求。

規(guī)格參數(shù)解讀

絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值非常重要，超出這些值運(yùn)行可能會(huì)對(duì)器件造成永久損壞。例如，電源電壓范圍為 - 0.5V 至 7V，任何邏輯引腳（D、DE 或 RE）上的輸入電壓范圍為 - 0.3V 至 5.7V 等。在設(shè)計(jì)過程中，務(wù)必確保器件工作在這些額定值范圍內(nèi)。

ESD 等級(jí)

器件的 ESD 等級(jí)決定了其抗靜電能力。THVD1400 和 THVD1420 的總線端子（A、B）和 GND 的人體放電模型（HBM）ESD 等級(jí)為 ±16,000V，所有其他引腳為 ±4,000V，同時(shí)還滿足 IEC 61000 - 4 - 2 和 IEC 61000 - 4 - 4 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，這使得它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中能更好地抵御靜電干擾。

建議運(yùn)行條件

建議運(yùn)行條件是保證器件正常工作的關(guān)鍵參數(shù)。包括高電平輸入電壓、低電平輸入電壓、輸出電流、差分負(fù)載電阻、信令速率、結(jié)溫等。例如，結(jié)溫工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，每個(gè)應(yīng)用都應(yīng)考慮由于內(nèi)部功率耗散引起的自熱，最大結(jié)溫受內(nèi)部熱關(guān)斷（TSD）電路的限制，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到 170°C 時(shí)，該電路會(huì)禁用驅(qū)動(dòng)器輸出。

熱性能信息

熱性能信息對(duì)于評(píng)估器件在不同工作條件下的散熱情況至關(guān)重要。結(jié)至環(huán)境熱阻、結(jié)至外殼（頂部）熱阻和結(jié)至電路板熱阻等參數(shù)，能幫助工程師合理設(shè)計(jì)散熱方案，確保器件在高溫環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。

電氣特性

電氣特性涵蓋了驅(qū)動(dòng)器差分輸出電壓幅度、穩(wěn)定狀態(tài)共模輸出電壓、驅(qū)動(dòng)器短路輸出電流、總線輸入電流、接收器差分輸入電壓閾值等多個(gè)方面。這些參數(shù)直接影響著器件的信號(hào)傳輸質(zhì)量和性能，在設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理匹配。

開關(guān)特征

開關(guān)特征包括驅(qū)動(dòng)器和接收器的上升和下降時(shí)間、傳播延遲、脈沖偏差、禁用時(shí)間和啟用時(shí)間等。不同的數(shù)據(jù)速率要求對(duì)開關(guān)特征有不同的影響，例如 THVD1400 和 THVD1420 在驅(qū)動(dòng)器差分輸出上升和下降時(shí)間、傳播延遲等方面就存在差異，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行選擇。

典型特性

典型特性通過一系列圖表展示了驅(qū)動(dòng)器輸出電壓與電流、驅(qū)動(dòng)器差分輸出電壓與電流、驅(qū)動(dòng)器傳播延遲與溫度、驅(qū)動(dòng)器上升或下降時(shí)間與溫度、電源電流與信號(hào)速率等之間的關(guān)系。這些圖表能幫助工程師更好地了解器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為設(shè)計(jì)提供參考。

應(yīng)用信息分析

典型應(yīng)用場景

THVD1400 和 THVD1420 適用于多種工業(yè)應(yīng)用，如工廠自動(dòng)化與控制、樓宇自動(dòng)化、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電力輸送、工業(yè)運(yùn)輸、HVAC 系統(tǒng)、視頻監(jiān)控和智能電表等。在這些應(yīng)用中，RS - 485 總線通常包含多個(gè)并聯(lián)到總線電纜的收發(fā)器，為了消除線路反射，每個(gè)電纜末端都用一個(gè)端接電阻 (R_{T})，其值與電纜的特征阻抗匹配。

設(shè)計(jì)要求

1. 數(shù)據(jù)速率和總線長度：數(shù)據(jù)速率與電纜長度成反比關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求平衡兩者之間的關(guān)系。大多數(shù) RS - 485 系統(tǒng)使用 10kbps 和 100kbps 之間的數(shù)據(jù)速率，但某些應(yīng)用需要在 4000 英尺或更遠(yuǎn)的距離上高達(dá) 300kbps 的數(shù)據(jù)速率，通過允許高達(dá) 5% 或 10% 的小信號(hào)抖動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)更長的距離。
2. 樁線長度：樁線長度應(yīng)盡可能短，其電氣長度或往返延遲應(yīng)小于驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間的十分之一，以減少反射對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/li>
3. 總線負(fù)載：RS - 485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，符合標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器必須能夠驅(qū)動(dòng) 32 個(gè)單元負(fù)載（UL），由于 THVD1400 包含 1/8 UL 收發(fā)器，因此可將多達(dá) 256 個(gè)接收器連接到總線。
4. 接收器故障安全：差分接收器在開路總線、總線短路和空閑總線條件下，能輸出失效防護(hù)邏輯高電平狀態(tài)，通過將接收器閾值進(jìn)行偏移，確保輸入不確定范圍不包括零電壓差分，從而提高總線故障條件下接收器輸入的抗噪性。
5. 瞬態(tài)保護(hù)：雖然 THVD1400 收發(fā)器系列的總線引腳包括針對(duì) ±16kV HBM 和 ±12kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電的片上 ESD 保護(hù)，但對(duì)于持續(xù)時(shí)間較長的瞬變（如浪涌瞬變），還需要實(shí)施外部瞬態(tài)保護(hù)裝置。例如，建議使用保護(hù)電路來抵御 1kV 浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）瞬變。

詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

為了保護(hù)總線節(jié)點(diǎn)免受高能瞬變的影響，需要實(shí)施外部瞬變保護(hù)裝置。文檔中給出了針對(duì)半雙工器件的浪涌瞬變的瞬態(tài)保護(hù)電路示例，并列出了相關(guān)的物料清單，包括收發(fā)器、電阻器和 TVS 瞬態(tài)抑制器等。

電源相關(guān)建議

為確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，應(yīng)使用 100nF 陶瓷電容對(duì)各個(gè)電源進(jìn)行去耦，該電容的位置應(yīng)盡可能靠近電源引腳。這樣有助于減少開關(guān)模式電源輸出中出現(xiàn)的電源電壓波紋，并且有助于補(bǔ)償 PCB 電源層的電阻和電感。

布局指南與示例

布局指南

在 PCB 設(shè)計(jì)過程中，需要應(yīng)用高頻布局技術(shù)來抑制工業(yè)環(huán)境中可能出現(xiàn)的浪涌瞬變。具體包括將保護(hù)電路放置在靠近總線連接器的位置、使用 (V{CC}) 和接地平面來提供低電感、將保護(hù)元件設(shè)計(jì)成信號(hào)路徑的方向、在靠近收發(fā)器等 IC 的 (V{CC}) 引腳位置施加去耦電容器、使用上拉和下拉電阻用于使能線路、插入防脈沖電阻器等。

布局示例

文檔中提供了 SOIC 封裝和 SOT 封裝的布局示例，為工程師進(jìn)行 PCB 布局提供了參考。

器件和文檔支持

器件支持

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總結(jié)

THVD1400 和 THVD1420 這兩款 RS - 485 收發(fā)器憑借其出色的性能和豐富的特性，為工業(yè)通信領(lǐng)域提供了可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用場景，合理選擇器件型號(hào)，關(guān)注各項(xiàng)規(guī)格參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，同時(shí)注意電源去耦和 PCB 布局等方面的問題，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用 RS - 485 收發(fā)器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。