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)應(yīng)用的通信領(lǐng)域，RS - 485 收發(fā)器扮演著至關(guān)重要的角色。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的兩款強大半雙工 RS - 485 收發(fā)器：THVD1400 和 THVD1420。

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一、產(chǎn)品概述

THVD1400 和 THVD1420 專為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計，由 3 至 5.5V 單電源供電，適用于長線纜上的多點應(yīng)用。它們的總線引腳具備寬共模電壓范圍和低輸入泄漏，并且可耐受高級別的 IEC 接觸放電 ESD 事件，無需額外的系統(tǒng)級保護(hù)元件。此外，這兩款器件提供業(yè)界通用 8 引腳 SOIC 封裝和先進(jìn)的小型 SOT 封裝，額定溫度范圍為–40°C 至 125°C。

二、產(chǎn)品特性

2.1 電氣特性

• 電源電壓范圍寬：支持 3V 至 5.5V 電源電壓，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 數(shù)據(jù)速率差異適配：THVD1400 數(shù)據(jù)速率為 500kbps，適合對速率要求不是特別高但穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場景；THVD1420 則高達(dá) 12Mbps，可滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/li>

2.2 保護(hù)特性

• 總線 I/O 保護(hù)全面
  • ESD 保護(hù)方面，總線端子和 GND 的人體放電模型（HBM）高達(dá) ±16kV，所有其他引腳的 HBM 為 ±4kV；IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電為 ±12kV，空氣間隙放電為 ±15kV。
  • 電氣快速瞬變（EFT）保護(hù)為 ±4kV，可有效抵御常見的電氣干擾。
  • 具備 ±16V 總線故障保護(hù)，確保在總線引腳出現(xiàn)異常電壓時，器件仍能正常工作。
• 低功耗優(yōu)勢：低待機電源電流小于 1μA，運行期間靜態(tài)電流典型值為 1.5mA，有助于降低系統(tǒng)整體功耗。
• 熱插拔無干擾：適用于熱插拔功能，上電/斷電過程中不會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

2.3 其他特性

• 小型封裝節(jié)省空間：提供 8 引腳 SOT 封裝選項（2.1mm x 1.2mm），在對空間要求較高的應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢。
• 工業(yè)級溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。
• 噪聲抑制能力強：較大的接收器滯后可有效抑制噪聲。
• 失效防護(hù)設(shè)計：具備開路、短路和空閑總線失效防護(hù)功能，保障系統(tǒng)的可靠性。
• 負(fù)載能力強：采用 1/8 單位負(fù)載設(shè)計，多達(dá) 256 個總線節(jié)點可連接到總線上。

三、產(chǎn)品規(guī)格

3.1 絕對最大額定值

超出這些絕對最大額定值運行可能會對器件造成永久損壞，雖然在建議運行條件之外但在絕對最大額定值范圍內(nèi)短暫運行，器件可能不會損壞，但可能無法正常工作，還會影響可靠性和壽命。

3.2 ESD 等級

在 ESD 防護(hù)方面，有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，總線端子和 GND 的 HBM ESD 為 ±16000V，其他引腳為 ±4000V；充電器件模型（CDM）為 ±1500V。IEC 標(biāo)準(zhǔn)下，接觸放電為 ±12000V，空氣間隙放電為 ±15000V，EFT 為 ±4000V。這充分體現(xiàn)了器件在靜電防護(hù)方面的強大能力。

3.3 建議運行條件

• 輸入電壓范圍：高電平輸入電壓（驅(qū)動器、驅(qū)動器啟用和接收器啟用輸入）為 2 - 5.5V，低電平輸入電壓為 0 - 0.8V。
• 輸出電流限制：驅(qū)動器輸出電流為 - 60 - 60mA，接收器輸出電流為 - 8 - 8mA。
• 差分負(fù)載電阻與信令速率匹配：THVD1400 在信令速率為 500kbps 時，差分負(fù)載電阻為 54 - 60Ω；THVD1420 在信令速率為 12Mbps 時，需根據(jù)具體情況匹配合適的電阻。
• 溫度相關(guān)參數(shù)：結(jié)溫工作環(huán)境溫度為 - 40 - 150°C，熱關(guān)斷閾值為 150 - 170°C，結(jié)溫達(dá)到 170°C 時，內(nèi)部熱關(guān)斷（TSD）電路會禁用驅(qū)動器輸出。

3.4 熱性能信息

不同封裝的器件熱性能有所差異，如 THVD1400 和 THVD1420 的結(jié)至環(huán)境熱阻、結(jié)至外殼（頂部）熱阻、結(jié)至電路板熱阻等參數(shù)各不相同。同時，功率耗散也會受到負(fù)載類型、信號傳輸速率、電源電壓等因素的影響。例如，在 VCC = 5.5V、TA = 125°C、50% 占空比方波信號下，不同負(fù)載情況下的功率耗散不同。

3.5 電氣特性

• 驅(qū)動器差分輸出電壓幅度：在不同負(fù)載和電源電壓條件下有相應(yīng)的范圍，如 RL = 100Ω、CL = 50pF 時為 2 - 2.5V；RL = 54Ω、4.5V ≤ Vcc ≤ 5.5V 時可參考圖 6 - 2。
• 穩(wěn)定狀態(tài)共模輸出電壓等其他參數(shù)：也有明確的規(guī)定和測試條件，這些參數(shù)對于確保器件的正常工作和信號傳輸質(zhì)量至關(guān)重要。

3.6 開關(guān)特征

THVD1400 和 THVD1420 的開關(guān)特征在驅(qū)動器和接收器的上升和下降時間、傳播延遲、脈沖偏差、禁用和啟用時間等方面都有具體的數(shù)值范圍。例如，THVD1400 驅(qū)動器差分輸出上升和下降時間典型值為 400ns，THVD1420 則為 15 - 25ns，不同的開關(guān)特征決定了它們在不同應(yīng)用場景中的適用性。

四、應(yīng)用信息

4.1 典型應(yīng)用場景

廣泛應(yīng)用于工廠自動化與控制、樓宇自動化、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電機驅(qū)動器、電力輸送、工業(yè)運輸、HVAC 系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、智能電表等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，RS - 485 總線包含多個并聯(lián)到總線電纜的收發(fā)器，為消除線路反射，每個電纜末端需用一個端接電阻 RT，其值與電纜的特征阻抗匹配，這種方法稱為并行端接，可在更長的電纜長度上實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。

4.2 設(shè)計要求

4.2.1 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，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% 的小信號抖動，可以實現(xiàn)更長的距離。在實際設(shè)計中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇數(shù)據(jù)速率和電纜長度。

4.2.2 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距離（樁線）應(yīng)盡可能短。樁線過長會引入反射，影響信號傳輸質(zhì)量。通用指南是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，即 (L{(STUB) } leq 0.1 × t{r} × v × c)，其中 (t_{r}) 是驅(qū)動器上升時間的 10/90，c 是光速，v 是電纜或布線的信號速度。

4.2.3 總線負(fù)載

RS - 485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，符合標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動 32 個單元負(fù)載（UL），1 個單元負(fù)載表示大約 12kΩ 的負(fù)載阻抗。THVD1400 包含 1/8 UL 收發(fā)器，因此可將多達(dá) 256 個接收器連接到總線，大大提高了系統(tǒng)的擴展性。

4.2.4 接收器故障安全

THVD1400 的差分接收器在開路總線、總線短路、空閑總線等情況下會輸出失效防護(hù)邏輯高電平狀態(tài)，避免輸出未明確的情況。接收器失效防護(hù)通過將接收器閾值進(jìn)行偏移來實現(xiàn)，輸入不確定范圍不包括零電壓差分。要符合 RS - 422 和 RS - 485 標(biāo)準(zhǔn)，接收器輸出必須在差分輸入 (V_{ID}) 正向大于 200mV 時輸出高電平，負(fù)向大于 - 200mV 時輸出低電平。

4.2.5 瞬態(tài)保護(hù)

THVD1400 收發(fā)器系列的總線引腳包括針對 ±16kV HBM 和 ±12kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電的片上 ESD 保護(hù)。但對于持續(xù)時間較長的瞬變（浪涌瞬變），需要額外的保護(hù)措施。如 EFT 通常由繼電器觸點回跳或電感負(fù)載中斷引起，浪涌瞬變通常由雷擊或電力系統(tǒng)切換引起，在工業(yè)環(huán)境中較為常見。為保護(hù)總線節(jié)點免受高能瞬變的影響，可使用外部瞬變保護(hù)裝置，如針對 1kV 浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）瞬變，建議使用保護(hù)電路，并提供了相應(yīng)的物料清單。

五、電源與布局建議

5.1 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行，應(yīng)使用 100nF 陶瓷電容對各個電源進(jìn)行去耦，且電容位置應(yīng)盡可能靠近電源引腳。這樣做有助于減少開關(guān)模式電源輸出中出現(xiàn)的電源電壓波紋，并且補償 PCB 電源層的電阻和電感。

5.2 布局指南

在工業(yè)環(huán)境中，由于可能出現(xiàn)浪涌瞬變，且其頻率帶寬較寬（大約 3MHz 至 300MHz），因此在 PCB 設(shè)計過程中必須應(yīng)用高頻布局技術(shù)。具體包括：

• 將保護(hù)電路放置在靠近總線連接器的位置，防止噪聲瞬變在電路板上傳播。
• 使用 (V_{CC}) 和接地平面來提供低電感，因為高頻電流會選擇阻抗最小的路徑，而非電阻最小的路徑。
• 將保護(hù)元件設(shè)計成信號路徑的方向，避免將瞬態(tài)電流從信號路徑強行轉(zhuǎn)移至保護(hù)器件。
• 在盡可能靠近電路板上收發(fā)器、UART 和/或控制器 IC 的 (V_{CC}) 引腳的位置施加 100nF 至 220nF 去耦電容器。
• 當(dāng)旁路電容和保護(hù)器件連接 (V_{CC}) 和接地時，應(yīng)至少使用兩個過孔以更大限度減少走線和降低過孔電感。
• 使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉電阻用于使能線路，以在瞬態(tài)事件期間限制這些線路中的噪聲電流。
• 如果 TVS 鉗位電壓高于收發(fā)器總線引腳的指定最大電壓，則在 A 和 B 總線線路中插入防脈沖電阻器，限制進(jìn)入收發(fā)器的剩余鉗位電流并防止其鎖存。
• 對于更高的瞬態(tài)，需要金屬氧化物壓敏電阻（MOV）將瞬態(tài)降低到幾百伏的鉗位電壓，以及瞬態(tài)阻斷單元（TBU）將瞬態(tài)電流限制在小于 1mA。

TI 的 THVD1400 和 THVD1420 3.3V 至 5V RS - 485 收發(fā)器憑借其豐富的特性、全面的保護(hù)功能和良好的性能，在工業(yè)通信領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。但在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，合理考慮各項參數(shù)和設(shè)計要求，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用這兩款器件的過程中，是否也遇到過一些獨特的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。