采用小型封裝、具有 ±12kV IEC ESD 保護功能的 THVD1400、THVD1420 3.3V 至 5V RS - 485 收發器解析

在工業通信領域，RS - 485 接口憑借其長距離、多節點通信的優勢，被廣泛應用于各種工業自動化系統中。今天，我們就來詳細探討一下 TI 推出的兩款低功耗、半雙工 RS - 485 收發器：THVD1400 和 THVD1420。

文件下載：thvd1420.pdf

產品概述

THVD1400 適用于高達 500kbps 的數據傳輸，而 THVD1420 則可支持高達 12Mbps 的數據傳輸。這兩款收發器由 3 至 5.5V 單電源供電，總線引腳具備寬共模電壓范圍和低輸入泄漏，非常適合長線纜上的多點應用。同時，它們還具有出色的 ESD 和 EFT 保護功能，能有效應對工業環境中的各種干擾。

產品特性剖析

電氣性能

1. 電源電壓范圍廣：支持 3V 至 5.5V 的電源電壓，能適應不同的電源環境，為設計提供了更大的靈活性。
2. 數據速率差異：THVD1400 數據速率為 500kbps，THVD1420 可達 12Mbps，可根據實際應用場景選擇合適的型號。
3. 低功耗設計：低待機電源電流小于 1μA，運行期間靜態電流典型值為 1.5mA，有助于降低系統功耗，延長設備使用壽命。

保護特性

1. ESD 保護：內部 ESD 保護電路可根據高達 ±12kV（接觸放電）、±15kV（空氣間隙放電）的 IEC 61000 - 4 - 2 標準，保護收發器免受靜電放電的影響。
2. EFT 保護：根據高達 ±4kV 的 IEC 61000 - 4 - 4 標準保護收發器免受電氣快速瞬變的影響，大大提高了設備在工業環境中的可靠性。
3. 總線故障保護：具備 ±16V 總線故障保護，能有效防止總線引腳上的過壓情況對器件造成損壞。

封裝優勢

提供小型、節省空間的 8 引腳 SOT 封裝選項（2.1mm x 1.2mm），同時也有業界通用的 8 引腳 SOIC 封裝可供選擇，方便不同的 PCB 布局需求。

其他特性

1. 較大接收器滯后：用于噪聲抑制，可有效提高信號的抗干擾能力。
2. 無干擾上電/斷電：適用于熱插拔功能，確保系統在插拔過程中不會出現數據丟失或設備損壞的情況。
3. 開路、短路和空閑總線失效防護：差分接收器在開路總線、總線短路和空閑總線條件下，能輸出失效防護邏輯高電平狀態，保證接收器輸出明確。
4. 1/8 單位負載：可將多達 256 個接收器連接到總線，滿足大規模節點通信的需求。

規格參數解讀

絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值非常重要，超出這些值運行可能會對器件造成永久損壞。例如，電源電壓范圍為 - 0.5V 至 7V，任何邏輯引腳（D、DE 或 RE）上的輸入電壓范圍為 - 0.3V 至 5.7V 等。在設計過程中，務必確保器件工作在這些額定值范圍內。

ESD 等級

器件的 ESD 等級決定了其抗靜電能力。THVD1400 和 THVD1420 的總線端子（A、B）和 GND 的人體放電模型（HBM）ESD 等級為 ±16,000V，所有其他引腳為 ±4,000V，同時還滿足 IEC 61000 - 4 - 2 和 IEC 61000 - 4 - 4 標準的相關要求，這使得它們在實際應用中能更好地抵御靜電干擾。

建議運行條件

建議運行條件是保證器件正常工作的關鍵參數。包括高電平輸入電壓、低電平輸入電壓、輸出電流、差分負載電阻、信令速率、結溫等。例如，結溫工作環境溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，每個應用都應考慮由于內部功率耗散引起的自熱，最大結溫受內部熱關斷（TSD）電路的限制，當結溫達到 170°C 時，該電路會禁用驅動器輸出。

熱性能信息

熱性能信息對于評估器件在不同工作條件下的散熱情況至關重要。結至環境熱阻、結至外殼（頂部）熱阻和結至電路板熱阻等參數，能幫助工程師合理設計散熱方案，確保器件在高溫環境下也能穩定工作。

電氣特性

電氣特性涵蓋了驅動器差分輸出電壓幅度、穩定狀態共模輸出電壓、驅動器短路輸出電流、總線輸入電流、接收器差分輸入電壓閾值等多個方面。這些參數直接影響著器件的信號傳輸質量和性能，在設計過程中需要根據實際需求進行合理匹配。

開關特征

開關特征包括驅動器和接收器的上升和下降時間、傳播延遲、脈沖偏差、禁用時間和啟用時間等。不同的數據速率要求對開關特征有不同的影響，例如 THVD1400 和 THVD1420 在驅動器差分輸出上升和下降時間、傳播延遲等方面就存在差異，工程師需要根據具體應用場景進行選擇。

典型特性

典型特性通過一系列圖表展示了驅動器輸出電壓與電流、驅動器差分輸出電壓與電流、驅動器傳播延遲與溫度、驅動器上升或下降時間與溫度、電源電流與信號速率等之間的關系。這些圖表能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，為設計提供參考。

應用信息分析

典型應用場景

THVD1400 和 THVD1420 適用于多種工業應用，如工廠自動化與控制、樓宇自動化、電網基礎設施、電機驅動器、電力輸送、工業運輸、HVAC 系統、視頻監控和智能電表等。在這些應用中，RS - 485 總線通常包含多個并聯到總線電纜的收發器，為了消除線路反射，每個電纜末端都用一個端接電阻 (R_{T})，其值與電纜的特征阻抗匹配。

設計要求

1. 數據速率和總線長度：數據速率與電纜長度成反比關系，在設計時需要根據實際需求平衡兩者之間的關系。大多數 RS - 485 系統使用 10kbps 和 100kbps 之間的數據速率，但某些應用需要在 4000 英尺或更遠的距離上高達 300kbps 的數據速率，通過允許高達 5% 或 10% 的小信號抖動，可以實現更長的距離。
2. 樁線長度：樁線長度應盡可能短，其電氣長度或往返延遲應小于驅動器上升時間的十分之一，以減少反射對信號傳輸的影響。
3. 總線負載：RS - 485 標準規定，符合標準的驅動器必須能夠驅動 32 個單元負載（UL），由于 THVD1400 包含 1/8 UL 收發器，因此可將多達 256 個接收器連接到總線。
4. 接收器故障安全：差分接收器在開路總線、總線短路和空閑總線條件下，能輸出失效防護邏輯高電平狀態，通過將接收器閾值進行偏移，確保輸入不確定范圍不包括零電壓差分，從而提高總線故障條件下接收器輸入的抗噪性。
5. 瞬態保護：雖然 THVD1400 收發器系列的總線引腳包括針對 ±16kV HBM 和 ±12kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電的片上 ESD 保護，但對于持續時間較長的瞬變（如浪涌瞬變），還需要實施外部瞬態保護裝置。例如，建議使用保護電路來抵御 1kV 浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）瞬變。

詳細設計過程

為了保護總線節點免受高能瞬變的影響，需要實施外部瞬變保護裝置。文檔中給出了針對半雙工器件的浪涌瞬變的瞬態保護電路示例，并列出了相關的物料清單，包括收發器、電阻器和 TVS 瞬態抑制器等。

電源相關建議

為確保在所有數據速率和電源電壓下可靠運行，應使用 100nF 陶瓷電容對各個電源進行去耦，該電容的位置應盡可能靠近電源引腳。這樣有助于減少開關模式電源輸出中出現的電源電壓波紋，并且有助于補償 PCB 電源層的電阻和電感。

布局指南與示例

布局指南

在 PCB 設計過程中，需要應用高頻布局技術來抑制工業環境中可能出現的浪涌瞬變。具體包括將保護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、將保護元件設計成信號路徑的方向、在靠近收發器等 IC 的 (V{CC}) 引腳位置施加去耦電容器、使用上拉和下拉電阻用于使能線路、插入防脈沖電阻器等。

布局示例

文檔中提供了 SOIC 封裝和 SOT 封裝的布局示例，為工程師進行 PCB 布局提供了參考。

器件和文檔支持

器件支持

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總結

THVD1400 和 THVD1420 這兩款 RS - 485 收發器憑借其出色的性能和豐富的特性，為工業通信領域提供了可靠的解決方案。在設計過程中，工程師需要根據具體應用場景，合理選擇器件型號，關注各項規格參數和設計要求，同時注意電源去耦和 PCB 布局等方面的問題，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用 RS - 485 收發器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。