電子工程師必看：THVD15xx 5V RS - 485 收發(fā)器深度解析

在工業(yè)自動化、樓宇控制等領(lǐng)域，RS - 485 接口憑借其抗干擾能力強、傳輸距離遠等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信。最近，我在研究 RS - 485 收發(fā)器時，發(fā)現(xiàn)了德州儀器（TI）的 THVD15xx 系列，它具有 ±18kV IEC ESD 保護功能，在惡劣工業(yè)環(huán)境中表現(xiàn)出色。今天，就和大家分享一下我對這個系列收發(fā)器的研究心得。

文件下載：thvd1550.pdf

一、產(chǎn)品特性亮點

電氣性能卓越

THVD15xx 系列符合或超過 TIA/EIA - 485A 標準要求，電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，能適應(yīng)不同的供電環(huán)境。它集成了強大的總線 I/O 保護功能，可承受 ±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，這意味著在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場，它能有效抵御靜電和瞬變干擾，保障設(shè)備的穩(wěn)定運行。

數(shù)據(jù)速率與溫度適應(yīng)性

該系列支持低 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)傳輸速度的要求。同時，其擴展溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，即使在極端溫度環(huán)境下，也能正常工作，這對于一些戶外或高溫工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用非常重要。

低功耗與多節(jié)點支持

低功耗是 THVD15xx 的一大優(yōu)勢，低待機電源電流小于 1μA，運行期間電流小于 1mA，有助于降低系統(tǒng)功耗。此外，它還具有 1/8 單位負載選項，多達 256 個總線節(jié)點可連接到總線上，大大提高了系統(tǒng)的可擴展性。

封裝形式多樣

提供小尺寸 VSSOP 封裝（可節(jié)省布板空間）或 SOIC 封裝（可實現(xiàn)快插兼容性），方便工程師根據(jù)實際設(shè)計需求選擇合適的封裝形式。

二、應(yīng)用場景廣泛

THVD15xx 系列適用于多種應(yīng)用場景，如電機驅(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。在這些場景中，RS - 485 通信需要可靠的收發(fā)器來保證數(shù)據(jù)的準確傳輸，而 THVD15xx 的高性能和高可靠性正好滿足了這些需求。

三、器件詳細分析

不同型號對比

從表格中可以看出，不同型號在封裝、雙工模式、信號速率和總線節(jié)點數(shù)等方面存在差異。工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的型號。例如，如果需要高速數(shù)據(jù)傳輸，可以選擇 THVD1552 或 THVD1551；如果對總線節(jié)點數(shù)要求較高，可以考慮 THVD1512。

引腳配置與功能

了解引腳配置和功能是正確使用收發(fā)器的基礎(chǔ)，工程師在設(shè)計電路時，需要根據(jù)引腳功能進行合理的連接和控制。

四、設(shè)計要點與注意事項

數(shù)據(jù)速率與總線長度

在設(shè)計 RS - 485 網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)據(jù)速率和總線長度是需要考慮的重要因素。數(shù)據(jù)速率與電纜長度成反比關(guān)系，即數(shù)據(jù)速率越高，電纜長度越短；反之亦然。大多數(shù) RS - 485 系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)速率在 10 kbps 至 100 kbps 之間，但一些應(yīng)用可能需要更高的數(shù)據(jù)速率，如 THVD1550、THVD1551 和 THVD1552 可支持 50 Mbps 的數(shù)據(jù)速率，但需要確保互連足夠短或在信號頻率下具有適當?shù)牡退p，以保證數(shù)據(jù)不被降級。

短截線長度

連接節(jié)點到總線時，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。

總線負載

RS - 485 標準規(guī)定，合規(guī)的驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動 32 個單位負載（UL），每個單位負載代表約 12 kΩ 的負載阻抗。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上，大大提高了總線的負載能力。

接收器故障保護

THVD15xx 系列的差分接收器具有故障保護功能，能夠應(yīng)對開路、短路和空閑總線等無效總線狀態(tài)。當出現(xiàn)這些情況時，接收器輸出故障安全邏輯高電平，確保輸出不會不確定。這是通過偏移接收器閾值來實現(xiàn)的，使輸入不確定范圍不包括零伏差分。

瞬態(tài)保護

該系列收發(fā)器的總線引腳具有片上 IEC ESD 保護功能，可有效抵御 ±18kV 的接觸放電，大大提高了設(shè)備的魯棒性。對于更長持續(xù)時間的瞬變，如浪涌瞬變，設(shè)計師可以選擇額外的保護措施，如使用瞬態(tài)抑制二極管（TVS）或金屬氧化物壓敏電阻（MOV）。

五、布局與電源建議

布局準則

在 PCB 設(shè)計中，合理的布局對于減少干擾和提高系統(tǒng)性能至關(guān)重要。以下是一些布局準則：

1. 將保護電路靠近總線連接器放置，防止噪聲瞬變在板上傳播。
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阻抗最小的路徑。
3. 將保護組件設(shè)計到信號路徑方向，避免瞬態(tài)電流偏離信號路徑。
4. 在收發(fā)器、UART 和/或控制器 IC 的 Vcc 引腳附近盡可能靠近地應(yīng)用 100 - nF 至 220 - nF 的去耦電容。
5. 對于去耦電容和保護設(shè)備的 Vcc 和接地連接，使用至少兩個過孔以最小化有效過孔電感。
6. 使用 1 - kΩ 至 10 - kΩ 的上拉和下拉電阻來限制使能線在瞬態(tài)事件期間的噪聲電流。
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，在 A 和 B 總線線路中插入脈沖保護電阻，以限制進入收發(fā)器的殘余鉗位電流并防止其鎖存。

電源建議

為確保在所有數(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 100 nF 的陶瓷電容進行去耦，并盡可能靠近電源引腳放置。這有助于減少開關(guān)模式電源輸出上的電源電壓紋波，并補償 PCB 電源平面的電阻和電感。

六、總結(jié)

THVD15xx 系列 5V RS - 485 收發(fā)器以其卓越的性能、廣泛的應(yīng)用場景和豐富的功能特性，為電子工程師在設(shè)計 RS - 485 通信系統(tǒng)時提供了一個優(yōu)秀的選擇。在實際設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，綜合考慮數(shù)據(jù)速率、總線長度、短截線長度、總線負載、接收器故障保護和瞬態(tài)保護等因素，并遵循合理的布局和電源建議，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。希望通過本文的分享，能幫助大家更好地了解和應(yīng)用 THVD15xx 收發(fā)器，在實際項目中取得更好的設(shè)計效果。

大家在使用 THVD15xx 收發(fā)器的過程中，有沒有遇到什么問題或者有什么獨特的設(shè)計經(jīng)驗?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)留言分享！