具有±18kV IEC ESD保護(hù)功能的THVD14xx 3.3V至5V RS - 485收發(fā)器：工業(yè)通信的可靠之選

在工業(yè)通信領(lǐng)域，RS - 485接口因其長距離傳輸、多節(jié)點(diǎn)通信和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而，工業(yè)環(huán)境往往存在著復(fù)雜的電磁干擾、靜電放電（ESD）和電氣快速瞬變（EFT）等問題，這對(duì)RS - 485收發(fā)器的性能和可靠性提出了極高的要求。今天，我們就來詳細(xì)介紹一款能夠應(yīng)對(duì)惡劣工業(yè)環(huán)境的RS - 485收發(fā)器——THVD14xx系列。

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THVD14xx系列產(chǎn)品概述

THVD14xx是德州儀器（TI）推出的一系列抗噪RS - 485/RS - 422收發(fā)器，專為在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行而設(shè)計(jì)。該系列器件具有出色的抗干擾能力和電氣保護(hù)性能，能夠有效抵御IEC電氣快速瞬變（EFT）和IEC靜電放電（ESD）事件，無需額外的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)組件，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

主要特性

1. 寬電源電壓范圍：支持3V至5.5V的單電源供電，能夠滿足不同工業(yè)系統(tǒng)的電源需求。
2. 高ESD和EFT保護(hù)：總線引腳具有±30kV HBM、±18kV IEC 61000 - 4 - 2接觸放電、±25kV IEC 61000 - 4 - 2氣隙放電和±4kV IEC 61000 - 4 - 4快速瞬變脈沖保護(hù)能力，確保在惡劣環(huán)境下的可靠運(yùn)行。
3. 擴(kuò)展共模電壓范圍：共模電壓范圍可達(dá)±15V，適用于長電纜上的應(yīng)用，能夠有效減少信號(hào)傳輸過程中的干擾。
4. 低EMI和高數(shù)據(jù)速率：支持500kbps和50Mbps的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)具有低電磁干擾（EMI）特性，滿足高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求。
5. 大接收器滯后：用于噪聲抑制的大接收器滯后，能夠有效提高接收器的抗干擾能力，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確接收。
6. 低功耗：待機(jī)電源電流小于1μA，運(yùn)行期間的電流小于3mA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
7. 擴(kuò)展環(huán)境溫度范圍：額定溫度范圍為 - 40°C至125°C，適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。
8. 多種封裝形式：提供小型VSON和VSSOP封裝，適用于空間受限的應(yīng)用，也有SOIC封裝可實(shí)現(xiàn)快插兼容性。

器件型號(hào)對(duì)比

引腳配置與功能

不同型號(hào)的THVD14xx器件引腳配置有所不同，但主要功能引腳包括總線輸入/輸出引腳（A、B、Y、Z）、數(shù)據(jù)輸入引腳（D）、驅(qū)動(dòng)使能引腳（DE）、接收使能引腳（RE）、電源引腳（VCC）和接地引腳（GND）等。這些引腳的功能和作用如下：

• 總線輸入/輸出引腳（A、B、Y、Z）：用于連接RS - 485總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
• 數(shù)據(jù)輸入引腳（D）：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入，控制驅(qū)動(dòng)輸出的邏輯狀態(tài)。
• 驅(qū)動(dòng)使能引腳（DE）：驅(qū)動(dòng)使能，高電平有效，用于控制驅(qū)動(dòng)輸出的開啟和關(guān)閉。
• 接收使能引腳（RE）：接收使能，低電平有效，用于控制接收器的開啟和關(guān)閉。
• 電源引腳（VCC）：提供3.3V至5V的電源。
• 接地引腳（GND）：器件接地。

此外，部分封裝還設(shè)有散熱焊盤（Thermal Pad），建議將其連接到GND以實(shí)現(xiàn)最佳的散熱性能。

電氣特性與性能參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

在使用THVD14xx器件時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，以避免器件損壞。主要的絕對(duì)最大額定值包括：

• 電源電壓（VCC）： - 0.5V至7V
• 總線電壓： - 18V至18V
• 輸入電壓： - 0.3V至5.7V
• 接收器輸出電流（IO）： - 24mA至24mA
• 存儲(chǔ)溫度范圍： - 65°C至150°C

ESD和EFT保護(hù)等級(jí)

推薦工作條件

為了確保器件的正常運(yùn)行，建議在以下工作條件下使用THVD14xx器件：

• 電源電壓（VCC）：3V至5.5V
• 輸入電壓（VI）： - 15V至15V
• 高電平輸入電壓（VIH）：2V至VCC
• 低電平輸入電壓（VIL）：0V至0.8V
• 差分輸入電壓（VID）： - 15V至15V
• 輸出電流（IO）： - 60mA至60mA（驅(qū)動(dòng)）， - 8mA至8mA（接收器）
• 差分負(fù)載電阻（RL）：54Ω
• 信號(hào)速率：THVD1410為500 kbps，THVD1450、THVD1451和THVD1452為50 Mbps
• 工作環(huán)境溫度（TA）： - 40°C至125°C
• 結(jié)溫（TJ）： - 40°C至150°C

熱特性

功耗

THVD14xx器件的功耗與負(fù)載條件和工作模式有關(guān)，在不同負(fù)載和工作條件下的功耗如下：

• THVD1410：
  • 未端接（RL = 300Ω，CL = 50pF）：360mW
  • RS - 422負(fù)載（RL = 100Ω，CL = 50pF）：370mW
  • RS - 485負(fù)載（RL = 54Ω，CL = 50pF）：410mW
• THVD145x器件：
  • 未端接（RL = 300Ω，CL = 50pF）：360mW
  • RS - 422負(fù)載（RL = 100Ω，CL = 50pF）：320mW
  • RS - 485負(fù)載（RL = 54Ω，CL = 50pF）：330mW

典型特性曲線

文檔中還給出了一系列典型特性曲線，包括驅(qū)動(dòng)輸出電壓與輸出電流、接收器輸出與輸入、驅(qū)動(dòng)輸出電流與電源電壓、驅(qū)動(dòng)上升/下降時(shí)間與溫度、驅(qū)動(dòng)傳播延遲與溫度以及電源電流與信號(hào)速率等關(guān)系曲線。這些曲線可以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)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

功能模式與工作原理

THVD1410和THVD1450的功能模式

• 驅(qū)動(dòng)模式：當(dāng)驅(qū)動(dòng)使能引腳（DE）為高電平時(shí)，差分輸出A和B跟隨數(shù)據(jù)輸入D的邏輯狀態(tài)。D為高電平時(shí)，A為高，B為低；D為低電平時(shí)，A為低，B為高。當(dāng)DE為低電平時(shí)，輸出為高阻態(tài)。
• 接收模式：當(dāng)接收使能引腳（RE）為低電平時(shí)，接收器啟用。當(dāng)差分輸入電壓VID高于正輸入閾值VTH + 時(shí)，接收器輸出R為高；當(dāng)VID低于負(fù)輸入閾值VTH - 時(shí)，R為低。當(dāng)RE為高電平時(shí)，接收器輸出為高阻態(tài)。

THVD1451的功能模式

THVD1451的驅(qū)動(dòng)和接收器始終處于啟用狀態(tài)，差分輸出Y和Z跟隨數(shù)據(jù)輸入D的邏輯狀態(tài)。D為高電平時(shí)，Y為高，Z為低；D為低電平時(shí)，Y為低，Z為高。接收器的工作原理與THVD1410和THVD1450類似。

THVD1452的功能模式

• 驅(qū)動(dòng)模式：與THVD1410和THVD1450類似，當(dāng)驅(qū)動(dòng)使能引腳（DE）為高電平時(shí)，差分輸出Y和Z跟隨數(shù)據(jù)輸入D的邏輯狀態(tài)；當(dāng)DE為低電平時(shí)，輸出為高阻態(tài)。
• 接收模式：與THVD1410和THVD1450相同，當(dāng)接收使能引腳（RE）為低電平時(shí)，接收器啟用；當(dāng)RE為高電平時(shí)，接收器輸出為高阻態(tài)。

應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

應(yīng)用領(lǐng)域

THVD14xx系列收發(fā)器適用于多種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、工廠自動(dòng)化和控制、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、樓宇自動(dòng)化、HVAC系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、過程分析和無線基礎(chǔ)設(shè)施等。這些應(yīng)用通常需要長距離、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，以及對(duì)電磁干擾和靜電放電的高耐受性，THVD14xx器件正好滿足了這些需求。

典型應(yīng)用電路

一個(gè)典型的RS - 485網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)收發(fā)器并聯(lián)連接到總線電纜組成。為了消除線路反射，每個(gè)電纜末端需要使用一個(gè)終端電阻RT，其值應(yīng)與電纜的特性阻抗Z0匹配。這種方法稱為并聯(lián)終端，通常可以在較長的電纜長度上實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 數(shù)據(jù)速率和總線長度：數(shù)據(jù)速率和電纜長度之間存在反比關(guān)系，即數(shù)據(jù)速率越高，電纜長度越短；反之亦然。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的數(shù)據(jù)速率和電纜長度。
2. Stub長度：連接節(jié)點(diǎn)到總線時(shí)，收發(fā)器輸入與電纜主干之間的距離（即Stub長度）應(yīng)盡可能短。Stub過長會(huì)引入不同相位的反射，影響信號(hào)質(zhì)量。一般來說，Stub的電氣長度（往返延遲）應(yīng)小于驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間的十分之一。
3. 總線負(fù)載：RS - 485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，合規(guī)的驅(qū)動(dòng)器必須能夠驅(qū)動(dòng)32個(gè)單位負(fù)載（UL），1個(gè)單位負(fù)載代表約12kΩ的負(fù)載阻抗。由于THVD14xx系列器件為1/8 UL收發(fā)器，因此最多可以將256個(gè)接收器連接到總線上。
4. 接收器故障保護(hù)：THVD14xx系列器件的差分接收器具有故障保護(hù)功能，能夠在總線開路、短路或空閑等無效狀態(tài)下輸出故障安全邏輯高電平，確保接收器輸出不會(huì)出現(xiàn)不確定狀態(tài)。
5. 瞬態(tài)保護(hù)：盡管THVD14xx器件本身具有一定的ESD和EFT保護(hù)能力，但在工業(yè)環(huán)境中，仍然可能會(huì)遇到更嚴(yán)重的瞬態(tài)干擾，如浪涌瞬變。因此，建議在設(shè)計(jì)中使用外部瞬態(tài)保護(hù)設(shè)備，如瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和瞬態(tài)阻斷單元（TBU）等。

電源與布局建議

電源建議

為了確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下的可靠運(yùn)行，每個(gè)電源都應(yīng)使用一個(gè)100nF的陶瓷電容進(jìn)行去耦，該電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳。這有助于減少開關(guān)模式電源輸出上的電源電壓紋波，并補(bǔ)償PCB電源平面的電阻和電感。

布局建議

在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用高頻布局技術(shù)，以保護(hù)總線節(jié)點(diǎn)免受工業(yè)環(huán)境中可能出現(xiàn)的浪涌瞬變的影響。具體建議如下：

1. 將保護(hù)電路靠近總線連接器放置，以防止噪聲瞬變進(jìn)入電路板。
2. 使用VCC和接地平面提供低電感路徑，注意高頻電流傾向于遵循最小阻抗路徑而不是最小電阻路徑。
3. 將保護(hù)組件設(shè)計(jì)在信號(hào)路徑方向上，避免瞬態(tài)電流從信號(hào)路徑轉(zhuǎn)向保護(hù)設(shè)備。
4. 在電路板上的收發(fā)器、UART和/或控制器IC的VCC引腳附近盡可能靠近地應(yīng)用100nF至220nF的去耦電容。
5. 對(duì)于去耦電容和保護(hù)設(shè)備的VCC和接地連接，使用至少兩個(gè)過孔以最小化有效過孔電感。
6. 使用1kΩ至10kΩ的上拉和下拉電阻來限制使能線路在瞬態(tài)事件中的噪聲電流。
7. 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總線線路中插入脈沖保護(hù)電阻，以限制進(jìn)入收發(fā)器的殘余鉗位電流并防止其閂鎖。
8. 對(duì)于高達(dá)1kV的浪涌瞬變，純TVS保護(hù)可能足夠；但對(duì)于更高的瞬變，需要使用MOV將瞬變降低到幾百伏的鉗位電壓，并使用TBU將瞬態(tài)電流限制在小于1mA。

總結(jié)

THVD14xx系列3.3V至5V RS - 485收發(fā)器以其出色的抗干擾能力、高ESD和EFT保護(hù)性能、寬電源電壓范圍、低功耗和多種封裝形式等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)通信領(lǐng)域的理想選擇。在設(shè)計(jì)使用該系列器件時(shí)，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇器件型號(hào)，注意引腳配置和功能，關(guān)注電氣特性和性能參數(shù)，遵循應(yīng)用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及電源和布局建議，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。你在實(shí)際使用THVD14xx系列收發(fā)器時(shí)遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。