具有±18kV IEC ESD 保護(hù)功能的 THVD15xx 5V RS - 485 收發(fā)器詳解

作為一名電子工程師，在工業(yè)通信領(lǐng)域，RS - 485 接口憑借其高可靠性、長傳輸距離等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。今天要給大家詳細(xì)介紹的是德州儀器（TI）推出的具有±18kV IEC ESD 保護(hù)功能的 THVD15xx 5V RS - 485 收發(fā)器系列，它在惡劣工業(yè)環(huán)境下表現(xiàn)出色，下面我們就一起來深入了解一下。

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特性亮點

電氣特性與標(biāo)準(zhǔn)兼容

THVD15xx 系列收發(fā)器符合或超過 TIA/EIA - 485A 標(biāo)準(zhǔn)要求，采用 4.5V 至 5.5V 電源電壓供電。其集成的總線 I/O 保護(hù)功能十分強(qiáng)大，能承受±30kV HBM ESD、±18kV IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電、±25kV IEC 61000 - 4 - 2 ESD 空氣間隙放電以及±4kV IEC 61000 - 4 - 4 電氣快速瞬變，這使得它在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中能有效抵御靜電和瞬變干擾，保障設(shè)備的穩(wěn)定運行。

性能優(yōu)勢

該系列器件具有擴(kuò)展級運行共模范圍（±15V），適用于長電纜上的多點應(yīng)用。支持低 EMI 的 500kbps 和 50Mbps 數(shù)據(jù)速率，能滿足不同應(yīng)用場景對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。工作溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，可適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。此外，大接收器滯后設(shè)計有助于抑制噪聲，提高信號接收的準(zhǔn)確性。

低功耗設(shè)計

THVD15xx 系列在功耗方面表現(xiàn)出色，低待機(jī)電源電流小于 1μA，運行期間的電流小于 1mA。還具備適用于熱插拔功能的無干擾加電/斷電特性，以及開路、短路和空閑總線失效防護(hù)功能。并且提供 1/8 單位負(fù)載選項，最多可支持 256 個總線節(jié)點，大大提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。其采用小尺寸 VSSOP 封裝，可節(jié)省布板空間，也有 SOIC 封裝可供選擇，以實現(xiàn)快插兼容性。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

THVD15xx 系列收發(fā)器的應(yīng)用場景十分廣泛，涵蓋了電機(jī)驅(qū)動器、工廠自動化與控制、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、樓宇自動化、HVAC 系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、過程分析以及電信基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域。在這些工業(yè)環(huán)境中，它能可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和通信，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供保障。

器件詳細(xì)說明

產(chǎn)品概述

THVD15xx 是一系列抗噪 RS - 485/RS - 422 收發(fā)器，專為惡劣工業(yè)環(huán)境設(shè)計?？偩€引腳可耐受高級別的 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)級保護(hù)組件。每個器件由 5V 單電源供電，采用小型 VSSOP 封裝，適用于空間受限的應(yīng)用，在自然通風(fēng)環(huán)境下的額定溫度范圍為 - 40°C 至 125°C。

器件信息

該系列包含 THVD1510、THVD1512、THVD1550、THVD1551 和 THVD1552 等型號，不同型號在封裝和尺寸上有所差異。例如，THVD1510 采用 VSSOP (8) 封裝，尺寸為 3.00mm x 3.00mm；THVD1550 采用 SOIC (8) 封裝，尺寸為 4.90mm x 3.91mm。具體的封裝信息可參考產(chǎn)品說明書末尾的可訂購產(chǎn)品附錄。

修訂歷史記錄

產(chǎn)品在發(fā)展過程中會不斷進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，THVD15xx 系列也不例外。從修訂歷史記錄中可以看到，不同版本之間在引腳功能描述、電氣特性參數(shù)等方面進(jìn)行了調(diào)整。例如，從 Revision A 到 Revision B，在電氣特性表中增加了 $T_{SD}$ 參數(shù)；從 Revision B 到 Revision C，更改了 THVD1512 和 THVD1552 D 封裝引腳功能表中引腳 13 和 14 的描述。

器件對比

不同型號的 THVD15xx 收發(fā)器在雙工模式、使能方式、信號速率和支持的節(jié)點數(shù)等方面存在差異。例如，THVD1512 為全雙工模式，支持 DE 和 RE 使能，信號速率可達(dá) 500kbps，支持 256 個節(jié)點；而 THVD1551 為全雙工模式，無外部使能引腳，信號速率可達(dá) 50Mbps。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的型號。

引腳配置與功能

不同型號的 THVD15xx 收發(fā)器引腳配置和功能也有所不同。以 THVD1510 和 THVD1550 的 8 - Pin D 封裝（SOIC）為例，引腳 A 和 B 為總線輸入/輸出端口，D 為驅(qū)動器數(shù)據(jù)輸入，DE 為驅(qū)動器使能（高電平有效，內(nèi)部有 2MΩ 下拉電阻），GND 為接地，R 為接收數(shù)據(jù)輸出，Vcc 為 5V 電源，RE 為接收器使能（低電平有效，內(nèi)部有 2MΩ 上拉電阻）。了解引腳的功能對于正確使用收發(fā)器至關(guān)重要。

規(guī)格參數(shù)分析

絕對最大額定值

在使用 THVD15xx 收發(fā)器時，需要注意其絕對最大額定值。例如，電源電壓 VCC 的范圍為 - 0.5V 至 7V，任何總線引腳（A、B、Y 或 Z）的電壓范圍為 - 18V 至 18V，邏輯引腳（D、DE 或 RE）的輸入電壓范圍為 - 0.3V 至 5.7V 等。超過這些額定值可能會對器件造成永久性損壞，因此在設(shè)計電路時必須嚴(yán)格遵守。

ESD 評級

該系列收發(fā)器的 ESD 保護(hù)能力很強(qiáng)，總線端子和 GND 的接觸放電可達(dá)±18,000V，空氣間隙放電可達(dá)±25,000V，人體模型（HBM）可達(dá)±30,000V，帶電設(shè)備模型（CDM）可達(dá)±1,500V，機(jī)器模型（MM）可達(dá)±200V，電氣快速瞬變（EFT）可達(dá)±4,000V。這些高 ESD 評級確保了器件在實際應(yīng)用中能有效抵御靜電干擾。

推薦工作條件

為了保證收發(fā)器的正常工作，需要滿足推薦的工作條件。例如，電源電壓 Vcc 應(yīng)在 4.5V 至 5.5V 之間，總線端子的輸入電壓范圍為 - 15V 至 15V，高電平輸入電壓（驅(qū)動器、驅(qū)動器使能和接收器使能輸入）應(yīng)在 2V 至 Vcc 之間等。同時，不同型號的信號速率也有相應(yīng)的要求，THVD1510 和 THVD1512 的信號速率為 500kbps，THVD1550、THVD1551 和 THVD1552 的信號速率為 50Mbps。

熱信息

熱信息對于評估器件在不同工作條件下的散熱情況非常重要。不同封裝的 THVD15xx 收發(fā)器在熱阻等參數(shù)上有所不同，例如，THVD1510 和 THVD1550 的 D（SOIC）8 引腳封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻為 112.4°C/W，而 VSSOP 封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻為 151.4°C/W。在設(shè)計散熱方案時，需要根據(jù)具體的封裝和工作條件進(jìn)行合理考慮。

功耗分析

在不同的負(fù)載和工作條件下，THVD15xx 收發(fā)器的功耗也有所不同。例如，在驅(qū)動器和接收器均啟用，Vcc = 5.5V，TA = 125°C，50% 占空比方波信號速率下，采用 RS - 485 負(fù)載（RL = 54Ω，CL = 50pF）時，THVD151x 的功耗為 250mW，THVD155x 的功耗為 340mW。了解功耗特性有助于合理設(shè)計電源和散熱方案。

電氣特性

電氣特性參數(shù)是評估收發(fā)器性能的重要依據(jù)。例如，驅(qū)動器的差分輸出電壓幅度在不同負(fù)載下有不同的要求，接收器的輸入閾值電壓、滯后電壓等參數(shù)也會影響信號的接收和處理。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)要求選擇合適的參數(shù)。

開關(guān)特性

開關(guān)特性描述了收發(fā)器在信號切換過程中的性能，包括上升/下降時間、傳播延遲、脈沖偏移等參數(shù)。不同型號的收發(fā)器在開關(guān)特性上有所差異，例如，500 - kbps 器件（THVD1510、THVD1512）的驅(qū)動器差分輸出上升/下降時間為 300ns 至 600ns，而 50 - Mbps 器件（THVD1550、THVD1551、THVD1552）的驅(qū)動器差分輸出上升/下降時間為 1ns 至 6ns。了解開關(guān)特性有助于優(yōu)化系統(tǒng)的信號傳輸性能。

典型特性

文檔中還給出了一些典型特性曲線，如驅(qū)動器輸出電壓與驅(qū)動器輸出電流的關(guān)系、驅(qū)動器差分輸出電壓與驅(qū)動器輸出的關(guān)系等。這些曲線可以幫助我們直觀地了解收發(fā)器在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為電路設(shè)計提供參考。

詳細(xì)工作原理與功能模式

概述

THVD1510 和 THVD1550 為低功耗半雙工 RS - 485 收發(fā)器，有 500kbps 和 50Mbps 兩種速度等級；THVD1551 為全使能型，無外部使能引腳；THVD1512 和 THVD1552 具有高電平有效的驅(qū)動器使能和低電平有效的接收器使能。通過禁用驅(qū)動器和接收器，可實現(xiàn)小于 1μA 的待機(jī)電流。

功能框圖

文檔中給出了不同型號收發(fā)器的功能框圖，通過功能框圖可以清晰地了解收發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號流程，有助于我們理解其工作原理和進(jìn)行電路設(shè)計。

特性描述

THVD15xx 系列的內(nèi)部 ESD 保護(hù)電路能有效保護(hù)收發(fā)器免受高達(dá)±18kV 的 IEC 61000 - 4 - 2 靜電放電和高達(dá)±4kV 的 IEC 61000 - 4 - 4 電氣快速瞬變的影響。同時，該系列還提供接收器輸入閾值的內(nèi)部偏置和大輸入閾值滯后，在總線空閑或短路條件下，接收器輸出保持邏輯高電平，無需外部故障安全偏置電阻。

器件功能模式

不同型號的 THVD15xx 收發(fā)器在功能模式上有所不同。以 THVD1510 和 THVD1550 為例，當(dāng)驅(qū)動器使能引腳 DE 為高電平時，差分輸出 A 和 B 跟隨數(shù)據(jù)輸入 D 的邏輯狀態(tài)；當(dāng) DE 為低電平時，輸出為高阻態(tài)。當(dāng)接收器使能引腳 $overline{RE}$ 為低電平時，接收器啟用，根據(jù)差分輸入電壓 $V_{ID}$ 的大小輸出相應(yīng)的邏輯電平；當(dāng) $overline{RE}$ 為高電平時，接收器輸出為高阻態(tài)。在總線開路、短路或空閑時，接收器輸出為故障安全高電平。

應(yīng)用與設(shè)計要點

應(yīng)用信息

THVD15xx 系列包括半雙工和全雙工 RS - 485 收發(fā)器，常用于異步數(shù)據(jù)傳輸。半雙工器件的驅(qū)動器和接收器使能引腳可配置不同的工作模式，全雙工實現(xiàn)需要兩對信號（四根線），允許每個節(jié)點在一對線上發(fā)送數(shù)據(jù)的同時在另一對線上接收數(shù)據(jù)。

典型應(yīng)用

在典型的 RS - 485 網(wǎng)絡(luò)中，多個收發(fā)器并聯(lián)連接到總線電纜，為了消除線路反射，每個電纜末端需要用一個終端電阻 $R{T}$ 進(jìn)行端接，其值應(yīng)與電纜的特性阻抗 $Z{0}$ 匹配。這種并行端接方法通常允許在更長的電纜長度上實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。

設(shè)計要求

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，數(shù)據(jù)速率越低，電纜長度越長。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的數(shù)據(jù)速率和電纜長度。例如，大多數(shù) RS - 485 系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)速率在 10kbps 至 100kbps 之間，而某些應(yīng)用可能需要在 4000 英尺及更長的距離上實現(xiàn)高達(dá) 250kbps 的數(shù)據(jù)速率。

短截線長度

在將節(jié)點連接到總線時，短截線（收發(fā)器輸入與電纜主干之間的距離）應(yīng)盡可能短。短截線過長會引入反射，影響信號質(zhì)量。一般來說，短截線的電氣長度（往返延遲）應(yīng)小于驅(qū)動器上升時間的十分之一。

總線負(fù)載

RS - 485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，合規(guī)的驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動 32 個單位負(fù)載（UL），每個單位負(fù)載代表約 12kΩ 的負(fù)載阻抗。由于 THVD15xx 系列為 1/8 UL 收發(fā)器，因此最多可將 256 個接收器連接到總線。

接收器故障安全

THVD15xx 系列的差分接收器具有故障安全功能，能夠應(yīng)對總線開路、短路和空閑等無效總線狀態(tài)。通過偏移接收器閾值，使輸入不確定范圍不包括零伏差分，確保在這些情況下接收器輸出為故障安全高電平。

瞬態(tài)保護(hù)

THVD15xx 收發(fā)器的總線引腳具有片上 ESD 保護(hù)，可抵御±30kV HBM 和±18kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電。在工業(yè)環(huán)境中，還可能遇到持續(xù)時間更長的瞬變，如浪涌瞬變，設(shè)計者可選擇實施相應(yīng)的保護(hù)措施。

詳細(xì)設(shè)計流程

文檔中給出了針對 1kV 浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）瞬變的保護(hù)電路示例，并列出了相關(guān)的物料清單。在設(shè)計電路時，需要根據(jù)實際情況選擇合適的保護(hù)器件和參數(shù)。

應(yīng)用曲線

文檔中給出了 THVD1510 和 THVD1550 在 60Ω 端接時的波形圖，通過這些波形圖可以直觀地了解收發(fā)器在實際應(yīng)用中的信號傳輸情況，為電路設(shè)計和調(diào)試提供參考。

電源與布局建議

電源建議

為了確保 THVD15xx 收發(fā)器在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運行，每個電源應(yīng)使用一個 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放置。這樣可以減少開關(guān)模式電源輸出上的電源電壓紋波，補(bǔ)償 PCB 電源平面的電阻和電感。

布局指南

在 PCB 設(shè)計中，為了保護(hù)收發(fā)器免受工業(yè)環(huán)境中可能出現(xiàn)的浪涌瞬變的影響，需要采用外部瞬態(tài)保護(hù)器件，并應(yīng)用高頻布局技術(shù)。具體建議包括：將保護(hù)電路靠近總線連接器放置，使用 $V{CC}$ 和接地平面提供低電感，將保護(hù)組件設(shè)計在信號路徑方向上，在 $V{CC}$ 引腳附近使用去耦電容，使用多個過孔連接去耦電容和保護(hù)器件，使用上拉和下拉電阻限制使能線中的噪聲電流，在總線線路中插入脈沖保護(hù)電阻等。

布局示例

文檔中給出了半雙工和全雙工布局的示例，通過這些示例可以了解如何在 PCB 上合理布局收發(fā)器和保護(hù)器件，以提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

器件和文檔支持

器件支持

TI 為 THVD15xx 系列收發(fā)器提供了全面的器件支持，包括技術(shù)文檔、工具和軟件、支持和社區(qū)資源等。用戶可以通過相關(guān)鏈接快速訪問這些資源，獲取所需的信息和幫助。

第三方產(chǎn)品免責(zé)聲明

TI 發(fā)布的與第三方產(chǎn)品或服務(wù)有關(guān)的信息，不構(gòu)成對這些產(chǎn)品或服務(wù)的認(rèn)可或擔(dān)保，用戶需要自行評估第三方產(chǎn)品的適用性。

相關(guān)鏈接

文檔中列出了快速訪問鏈接，包括技術(shù)文檔、支持和社區(qū)資源、工具和軟件以及立即訂購等類別，方便用戶獲取相關(guān)信息。

接收文檔更新通知

用戶可以在 TI.com.cn 上注冊接收文檔更新通知，及時了解產(chǎn)品信息的變化。

社區(qū)資源

TI 提供了 E2E? 在線社區(qū)，工程師可以在該社區(qū)中咨詢問題、分享知識、拓展思路并與同行一起解決問題。

商標(biāo)和靜電放電警告

文檔中對相關(guān)商標(biāo)進(jìn)行了說明，并提醒用戶注意靜電放電對器件的影響，在存儲或裝卸時應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

術(shù)語表

文檔中還提供了術(shù)語表，對相關(guān)術(shù)語、縮寫和定義進(jìn)行了解釋，方便用戶理解文檔內(nèi)容。

機(jī)械、封裝和可訂購信息

文檔詳細(xì)介紹了 THVD15xx 系列收發(fā)器的機(jī)械、封裝和可訂購信息，包括不同型號的封裝尺寸、包裝形式、引腳數(shù)量、RoHS 合規(guī)性、引腳鍍層材料、MSL 評級、工作溫度范圍和零件標(biāo)記等。用戶可以根據(jù)這些信息選擇合適的產(chǎn)品和封裝形式。

總之，THVD15xx 系列 5V RS - 485 收發(fā)器憑借其出色的 ESD 保護(hù)功能、低功耗設(shè)計、廣泛的應(yīng)用場景和全面的技術(shù)支持，為