具有IEC - ESD保護(hù)功能的THVD1505總線極性校正RS - 485收發(fā)器詳解

在工業(yè)通信領(lǐng)域，RS - 485接口憑借其高可靠性、長(zhǎng)傳輸距離等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景。今天我們要深入探討的THVD1505，就是一款具有獨(dú)特特性的RS - 485收發(fā)器，它在總線極性校正和ESD保護(hù)方面表現(xiàn)出色。

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一、產(chǎn)品概述

THVD1505是一款低功耗RS - 485收發(fā)器，符合或超出TIA/EIA - 485A標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司（SGCC）第11部分串行通信協(xié)議RS - 485標(biāo)準(zhǔn)的要求。它工作在4.5V至5.5V電源電壓下，支持半雙工RS - 422/RS - 485通信，數(shù)據(jù)速率高達(dá)1Mbps，并且具有總線極性自動(dòng)校正和瞬態(tài)保護(hù)功能。

二、特性亮點(diǎn)

1. 總線極性校正

這是THVD1505的一大特色功能。在實(shí)際應(yīng)用中，總線接線錯(cuò)誤可能導(dǎo)致信號(hào)極性錯(cuò)誤，而THVD1505能夠在45ms內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)并校正總線極性。要實(shí)現(xiàn)極性檢測(cè)，需要滿足一些條件：從節(jié)點(diǎn)必須使能接收器（$overline{RE}$ = low），A和B信號(hào)應(yīng)在故障安全時(shí)間（$t{FS}$）內(nèi)保持靜態(tài)，接收器輸入的差分電壓絕對(duì)值應(yīng)大于接收器閾值（$|V{IT+}|$ 或 $|V_{IT-}|$）。

極性校正有兩種方式：

• 被動(dòng)極性定義：使用外部故障安全電阻網(wǎng)絡(luò)（$R{FS}$），確保總線空閑時(shí)的故障安全操作。在數(shù)據(jù)傳輸前，主收發(fā)器需空閑超過從收發(fā)器的最大故障安全時(shí)間$t{FS}$，之后開始傳輸數(shù)據(jù)。由于接線錯(cuò)誤，從節(jié)點(diǎn)接收到極性反轉(zhuǎn)的信號(hào)，但在$t{FS}$后，極性校正功能會(huì)使信號(hào)恢復(fù)正常。不過要注意，連續(xù)0或1的數(shù)據(jù)串持續(xù)時(shí)間超過最小$t{FS}$可能會(huì)意外觸發(fā)錯(cuò)誤的極性校正，應(yīng)盡量避免。
• 主動(dòng)極性定義：主節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)總線超過$t_{FS}$后開始傳輸數(shù)據(jù)，這種方式無需故障安全電阻網(wǎng)絡(luò)，其極性校正邏輯與被動(dòng)極性定義相同。

2. 瞬態(tài)保護(hù)

該收發(fā)器的總線引腳具有出色的靜電放電（ESD）保護(hù)功能，能承受±16kV HBM ESD、±8kV IEC 61000 - 4 - 2接觸放電和±8kV IEC 61000 - 4 - 2空氣間隙放電，以及±2kV IEC 61000 - 4 - 4快速瞬變脈沖。IEC ESD測(cè)試比HBM ESD測(cè)試更嚴(yán)格，芯片上集成的IEC ESD和EFT保護(hù)顯著提高了設(shè)備的魯棒性，能有效應(yīng)對(duì)常見的放電事件和工業(yè)環(huán)境中的瞬態(tài)干擾。

3. 其他特性

• 寬共模電壓范圍：適用于長(zhǎng)線纜上的多點(diǎn)通信。
• 失效防護(hù)功能：具備開路、短路和空閑總線失效防護(hù)，確保通信的可靠性。
• 較大接收器遲滯值：為120mV，可有效抑制噪聲。
• 低功耗：待機(jī)電源電流小于1μA，工作電源電流小于1.1mA。
• 多節(jié)點(diǎn)支持：一條總線上多達(dá)256個(gè)節(jié)點(diǎn)（1/8單位負(fù)載）。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

由于其出色的性能，THVD1505適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如電表、HVAC系統(tǒng)、逆變器、視頻監(jiān)控等。在這些場(chǎng)景中，RS - 485通信的可靠性至關(guān)重要，而THVD1505的特性能夠很好地滿足需求。

四、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

涵蓋了電源電壓、輸入電壓、輸出電流、結(jié)溫等參數(shù)的最大和最小值，超出這些范圍可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。例如，電源電壓$V_{CC}$的范圍是 - 0.5V至7V。

2. ESD額定值

包括HBM、CDM、M等不同模型的ESD額定值，以及IEC標(biāo)準(zhǔn)下的ESD和EFT額定值，體現(xiàn)了器件的抗靜電能力。

3. 推薦工作條件

明確了電源電壓、差分輸入電壓、輸入電壓、輸出電流、負(fù)載電阻、信號(hào)速率、結(jié)溫等參數(shù)的推薦范圍，確保器件在最佳狀態(tài)下工作。

4. 熱信息

給出了結(jié)到環(huán)境、結(jié)到外殼、結(jié)到電路板的熱阻等參數(shù)，有助于在設(shè)計(jì)時(shí)考慮散熱問題。

5. 電氣特性

詳細(xì)描述了驅(qū)動(dòng)器和接收器的各項(xiàng)電氣參數(shù)，如輸出電壓、輸入電流、輸入阻抗、閾值電壓等。

6. 開關(guān)特性

包括驅(qū)動(dòng)器和接收器的上升和下降時(shí)間、傳播延遲、脈沖偏斜、禁用和啟用時(shí)間等，這些參數(shù)影響著通信的速度和穩(wěn)定性。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電源供應(yīng)

為確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，每個(gè)電源應(yīng)使用一個(gè)100nF陶瓷電容器進(jìn)行去耦，且該電容器應(yīng)盡可能靠近電源引腳。

2. 布局設(shè)計(jì)

• 瞬態(tài)保護(hù)布局：在PCB設(shè)計(jì)中，為保護(hù)總線節(jié)點(diǎn)免受工業(yè)環(huán)境中的浪涌瞬變影響，應(yīng)采用高頻布局技術(shù)。保護(hù)電路應(yīng)靠近總線連接器，使用Vcc和接地平面提供低電感，保護(hù)組件應(yīng)設(shè)計(jì)在信號(hào)路徑方向上，同時(shí)在收發(fā)器和UART或控制器IC的$V_{CC}$引腳附近使用100至220nF去耦電容器。
• 其他布局考慮：使用1至10kΩ的上拉或下拉電阻限制使能線在瞬態(tài)事件中的噪聲電流，若TVS鉗位電壓高于收發(fā)器總線端子的指定最大電壓，應(yīng)在A和B總線線路中插入脈沖防護(hù)電阻。

3. 總線設(shè)計(jì)

RS - 485總線由多個(gè)收發(fā)器并聯(lián)連接到總線電纜，每個(gè)電纜端應(yīng)使用一個(gè)終端電阻$R{T}$進(jìn)行端接，其值應(yīng)與電纜的特性阻抗$Z{0}$匹配。常見的電纜有UTP和RS485電纜，最大總線長(zhǎng)度通常為4000ft或1200m，但實(shí)際長(zhǎng)度受信號(hào)速率、電纜特性和環(huán)境條件影響。

4. 數(shù)據(jù)速率與電纜長(zhǎng)度

數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度成反比關(guān)系，即數(shù)據(jù)速率越高，電纜長(zhǎng)度越短。在選擇數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度時(shí)，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行權(quán)衡。

5. 短截線長(zhǎng)度

連接節(jié)點(diǎn)到總線時(shí)，短截線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，以避免反射。一般來說，短截線的電氣長(zhǎng)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。

六、典型應(yīng)用示例

許多RS - 485網(wǎng)絡(luò)采用隔離總線節(jié)點(diǎn)，以防止接地環(huán)路對(duì)信號(hào)完整性的影響。一個(gè)典型的隔離總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要滿足RS - 485兼容總線接口、信號(hào)和電源線路的電氣隔離、承受高達(dá)1kV的浪涌瞬變、全控制總線上的數(shù)據(jù)流量等要求。

在設(shè)計(jì)過程中，電源隔離可使用推挽變壓器驅(qū)動(dòng)器SN6501、低成本LDO和TLV70733實(shí)現(xiàn)；信號(hào)隔離使用四通道數(shù)字隔離器ISO7741，同時(shí)通過4.7kΩ電阻上拉使能輸入以限制瞬態(tài)事件中的輸入電流。此外，還需要額外的高壓電容器將瞬態(tài)能量從浮動(dòng)RS - 485公共端導(dǎo)向保護(hù)地，以應(yīng)對(duì)總線上的噪聲瞬變。

七、總結(jié)

THVD1505作為一款具有總線極性校正和IEC - ESD保護(hù)功能的RS - 485收發(fā)器，在工業(yè)通信領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。其獨(dú)特的極性校正功能和強(qiáng)大的瞬態(tài)保護(hù)能力，能夠有效提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景，合理選擇參數(shù)和布局，以充分發(fā)揮THVD1505的性能。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂肨HVD1505進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有用的參考，大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到什么問題，歡迎一起交流探討。