探索 THVD24x0：工業(yè)通信的可靠 RS - 485 收發(fā)器解決方案

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(yùn)行的關(guān)鍵。RS - 485 作為一種廣泛應(yīng)用的通信標(biāo)準(zhǔn)，其收發(fā)器的性能直接影響著通信的質(zhì)量和穩(wěn)定性。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的 THVD2410 和 THVD2450 這兩款 ±70V 故障保護(hù)、半雙工 RS - 422/RS - 485 收發(fā)器。

文件下載：thvd2450.pdf

特性亮點(diǎn)：為工業(yè)環(huán)境量身打造

標(biāo)準(zhǔn)兼容與功能安全

THVD24x0 符合或超過 TIA/EIA - 485A 和 TIA/EIA - 422B 標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且提供功能安全相關(guān)文檔，這對(duì)于進(jìn)行功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師來說至關(guān)重要。它就像是一把精確的鑰匙，能夠完美適配各種符合標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)系統(tǒng)，為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。

寬電源電壓與高性能輸出

3V 至 5.5V 的電源電壓范圍，使得該收發(fā)器能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。在 5V 電源下，差分輸出超過 2.1V，并且與 PROFIBUS 兼容，這意味著它可以在不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中穩(wěn)定工作，就像一個(gè)多面手，能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的工業(yè)通信場(chǎng)景。

強(qiáng)大的總線保護(hù)能力

在工業(yè)環(huán)境中，總線故障和靜電放電等問題是常見的挑戰(zhàn)。THVD24x0 具備 ±70V 直流總線故障保護(hù)、±16kV HBM ESD、±12kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電和空氣間隙放電以及 ±4kV IEC 61000 - 4 - 4 快速瞬變脈沖保護(hù)能力。這一系列的保護(hù)措施就像是給收發(fā)器穿上了一層堅(jiān)固的鎧甲，能夠有效抵御各種外部干擾和故障，確保通信的可靠性。

雙速選擇與低功耗設(shè)計(jì)

THVD2410 提供 500kbps 的速率，而 THVD2450 則能達(dá)到 50Mbps 的高速率，工程師可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的器件。同時(shí)，該收發(fā)器具有低功耗特性，低待機(jī)電源電流小于 1μA，運(yùn)行期間的電流小于 5.6mA，這不僅有助于降低系統(tǒng)的能耗，還能減少發(fā)熱，延長(zhǎng)器件的使用壽命。

其他特性

它還具有增強(qiáng)型接收器遲滯，可獲得更好的抗噪能力；適用于熱插拔功能的無干擾上電/斷電設(shè)計(jì)；開路、短路和空閑總線失效防護(hù)以及熱關(guān)斷功能。此外，1/8 單位負(fù)載（多達(dá) 256 個(gè)總線節(jié)點(diǎn)）的設(shè)計(jì)和小型 VSON、VSSOP 或 SOIC 封裝，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性和便利性。

應(yīng)用廣泛：涵蓋多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域

THVD24x0 的應(yīng)用范圍十分廣泛，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、工廠自動(dòng)化和控制、HVAC 系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電表、過程分析和視頻監(jiān)控等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，它就像一個(gè)默默的守護(hù)者，保障著各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠。

規(guī)格參數(shù)：深入了解器件性能

絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于正確使用器件至關(guān)重要。THVD24x0 的電源電壓范圍為 - 0.5V 至 7V，總線電壓范圍為 - 70V 至 70V，輸入電壓范圍為 - 0.3V 至 5.7V 等。超出這些范圍的運(yùn)行可能會(huì)對(duì)器件造成永久損壞，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)。

ESD 等級(jí)

該器件的 ESD 等級(jí)表現(xiàn)出色，總線端子和 GND 的人體放電模型（HBM）為 ±16,000V，除總線端子和 GND 外的所有引腳為 ±8,000V，充電器件模型（CDM）為 ±1,500V。這表明它在靜電防護(hù)方面具有很強(qiáng)的能力，能夠有效避免因靜電放電而導(dǎo)致的器件損壞。

建議運(yùn)行條件

在建議運(yùn)行條件下，器件能夠正常工作并發(fā)揮最佳性能。例如，電源電壓建議在 3V 至 5.5V 之間，信令速率 THVD2410 為 500kbps，THVD2450 為 50Mbps，運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為 - 40°C 至 125°C 等。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)該盡量使器件工作在這些建議條件下，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

熱性能信息

熱性能對(duì)于器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行也非常重要。不同封裝的 THVD24x0 具有不同的熱指標(biāo)，如結(jié)至環(huán)境熱阻、結(jié)至外殼熱阻等。了解這些熱性能信息，有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)散熱方案時(shí)做出合理的選擇，保證器件在合適的溫度范圍內(nèi)工作。

電氣特性和開關(guān)特性

電氣特性包括驅(qū)動(dòng)器差分輸出電壓幅度、共模輸出電壓等，開關(guān)特性則涉及到驅(qū)動(dòng)器和接收器的上升/下降時(shí)間、傳播延遲等參數(shù)。這些特性直接影響著器件的數(shù)據(jù)傳輸速度和信號(hào)質(zhì)量，在設(shè)計(jì)高速通信系統(tǒng)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注這些參數(shù)。

詳細(xì)說明：剖析器件的工作原理和功能模式

概述

THVD2410 和 THVD2450 是半雙工 RS - 485 收發(fā)器，由 3V 至 5.5V 的單電源供電。在所有運(yùn)行模式下，它們都能保護(hù)總線接口引腳不受過壓條件破壞，并且具有集成式 IEC ESD 保護(hù)，無需外部系統(tǒng)級(jí)保護(hù)組件。

特性說明

±70V 故障保護(hù)

與通用 RS - 485 器件相比，THVD24x0 無需任何外部元件即可在高達(dá) ±70V 的電壓下受到保護(hù)，這大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低了整體系統(tǒng)成本。

集成 IEC ESD 和 EFT 保護(hù)

內(nèi)部 ESD 保護(hù)電路可根據(jù)高達(dá) ±12kV 的 IEC 61000 - 4 - 2 標(biāo)準(zhǔn)和高達(dá) ±4kV 的 IEC 61000 - 4 - 4 標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)收發(fā)器，有助于限制電壓偏移并快速?gòu)闹谢謴?fù)。

驅(qū)動(dòng)器過壓和過流保護(hù)

驅(qū)動(dòng)器可防止 - 70V 至 +70V 范圍內(nèi)的任何直流電源短路，內(nèi)部將短路電流限制為 ±250mA，并且在輸出故障電壓超過 |±25V| 時(shí)，折返式限流電路可進(jìn)一步將驅(qū)動(dòng)器短路電流降至 ±5mA 以下。同時(shí)，熱關(guān)斷保護(hù)功能可在結(jié)溫過高時(shí)禁用驅(qū)動(dòng)器和接收器，保護(hù)器件安全。

增強(qiáng)型接收器抗噪性能

差分接收器具有完全對(duì)稱的閾值和 250mV（典型值）的遲滯，即使在輸入振幅很小的情況下也能保持信號(hào)的占空比，確保出色的抗噪性能。

接收器失效防護(hù)狀態(tài)運(yùn)行

當(dāng)出現(xiàn)總線開路、短路或空閑等無效總線狀態(tài)時(shí)，如果輸入振幅停留時(shí)間超過 (t{D(OFS)}) 至少 (|V{TH_FSH}|)，接收器將輸出失效防護(hù)邏輯高電平狀態(tài)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

低功耗關(guān)斷模式

通過控制驅(qū)動(dòng) DE 和 (overline{RE}) 的電平，可以使器件進(jìn)入關(guān)斷模式，并且該功能可防止器件由于 DE 和 RE 之間的偏差而意外進(jìn)入關(guān)斷模式。

器件功能模式

驅(qū)動(dòng)器使能引腳 DE 為邏輯高電平時(shí)，差分輸出 A 和 B 跟隨數(shù)據(jù)輸入 D 的邏輯狀態(tài)；DE 為低電平時(shí)，兩個(gè)輸出都變?yōu)楦咦钁B(tài)。接收器使能引腳 (overline{RE}) 為邏輯低電平時(shí)，接收器被啟用；(overline{RE}) 為邏輯高電平或處于開路時(shí)，接收器輸出為高阻抗。通過合理控制這些引腳的電平，可以實(shí)現(xiàn)不同的工作模式，滿足各種應(yīng)用需求。

應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)：設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)和注意事項(xiàng)

應(yīng)用信息

THVD2410 和 THVD2450 通常用于異步數(shù)據(jù)傳輸，其驅(qū)動(dòng)器和接收器使能引腳允許配置不同的工作模式，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

典型應(yīng)用

在典型的 RS - 485 網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)收發(fā)器并聯(lián)到總線電纜，每個(gè)電纜末端需要用一個(gè)端接電阻 RT 來消除線路反射。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮數(shù)據(jù)速率和總線長(zhǎng)度、樁線長(zhǎng)度、總線負(fù)載和瞬態(tài)保護(hù)等因素。

數(shù)據(jù)速率和總線長(zhǎng)度

數(shù)據(jù)速率與電纜長(zhǎng)度成反比關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度。通過允許一定的小信號(hào)抖動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的距離。

樁線長(zhǎng)度

樁線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，其電氣長(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，以減少反射對(duì)信號(hào)的影響。

總線負(fù)載

由于 THVD24x0 器件包含 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，這為大規(guī)模工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供了便利。

瞬態(tài)保護(hù)

THVD24x0 收發(fā)器系列的總線引腳包括片上 ESD 保護(hù)，但對(duì)于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的瞬變（如浪涌瞬變），可能需要額外的保護(hù)措施。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用保護(hù)電路來抵御浪涌瞬變，如使用 SMAJ30CA TVS 二極管等。

詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

在設(shè)計(jì)針對(duì)半雙工器件的浪涌瞬變的瞬態(tài)保護(hù)電路時(shí)，需要合理選擇保護(hù)元件，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行布局和布線。同時(shí)，還需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，以確保系統(tǒng)的功能和性能符合要求。

電源相關(guān)建議和布局指南：確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性

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，并且該電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳。這樣可以減少開關(guān)模式電源輸出中出現(xiàn)的電源電壓波紋，補(bǔ)償 PCB 電源層的電阻和電感。

布局指南

在 PCB 設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)應(yīng)用高頻布局技術(shù)。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 (V{CC}) 引腳的位置應(yīng)用去耦電容器，使用上拉和下拉電阻限制噪聲電流，必要時(shí)插入防脈沖電阻器等。這些布局指南有助于提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

總結(jié)

THVD2410 和 THVD2450 作為德州儀器的高性能 RS - 485 收發(fā)器，具有豐富的特性、廣泛的應(yīng)用范圍和出色的性能表現(xiàn)。在工業(yè)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，合理選擇和使用這兩款器件，并遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)建議和布局指南，能夠?yàn)橄到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。希望本文能夠?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/125/" target="_blank">電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)工業(yè)通信系統(tǒng)時(shí)提供一些有益的參考和幫助。

你在使用 THVD24x0 進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中遇到過哪些問題呢？或者對(duì)于 RS - 485 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，你還有哪些其他的經(jīng)驗(yàn)和見解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流！