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

在工業應用的通信領域，RS - 485 收發器扮演著至關重要的角色。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的兩款強大半雙工 RS - 485 收發器：THVD1400 和 THVD1420。

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一、產品概述

THVD1400 和 THVD1420 專為工業應用設計，由 3 至 5.5V 單電源供電，適用于長線纜上的多點應用。它們的總線引腳具備寬共模電壓范圍和低輸入泄漏，并且可耐受高級別的 IEC 接觸放電 ESD 事件，無需額外的系統級保護元件。此外，這兩款器件提供業界通用 8 引腳 SOIC 封裝和先進的小型 SOT 封裝，額定溫度范圍為–40°C 至 125°C。

二、產品特性

2.1 電氣特性

• 電源電壓范圍寬：支持 3V 至 5.5V 電源電壓，能適應不同的電源環境。
• 數據速率差異適配：THVD1400 數據速率為 500kbps，適合對速率要求不是特別高但穩定性要求較高的應用場景；THVD1420 則高達 12Mbps，可滿足高速數據傳輸的需求。

2.2 保護特性

• 總線 I/O 保護全面
  • ESD 保護方面，總線端子和 GND 的人體放電模型（HBM）高達 ±16kV，所有其他引腳的 HBM 為 ±4kV；IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電為 ±12kV，空氣間隙放電為 ±15kV。
  • 電氣快速瞬變（EFT）保護為 ±4kV，可有效抵御常見的電氣干擾。
  • 具備 ±16V 總線故障保護，確保在總線引腳出現異常電壓時，器件仍能正常工作。
• 低功耗優勢：低待機電源電流小于 1μA，運行期間靜態電流典型值為 1.5mA，有助于降低系統整體功耗。
• 熱插拔無干擾：適用于熱插拔功能，上電/斷電過程中不會對系統產生干擾。

2.3 其他特性

• 小型封裝節省空間：提供 8 引腳 SOT 封裝選項（2.1mm x 1.2mm），在對空間要求較高的應用中具有很大優勢。
• 工業級溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，能適應惡劣的工業環境。
• 噪聲抑制能力強：較大的接收器滯后可有效抑制噪聲。
• 失效防護設計：具備開路、短路和空閑總線失效防護功能，保障系統的可靠性。
• 負載能力強：采用 1/8 單位負載設計，多達 256 個總線節點可連接到總線上。

三、產品規格

3.1 絕對最大額定值

超出這些絕對最大額定值運行可能會對器件造成永久損壞，雖然在建議運行條件之外但在絕對最大額定值范圍內短暫運行，器件可能不會損壞，但可能無法正常工作，還會影響可靠性和壽命。

3.2 ESD 等級

在 ESD 防護方面，有嚴格的標準，總線端子和 GND 的 HBM ESD 為 ±16000V，其他引腳為 ±4000V；充電器件模型（CDM）為 ±1500V。IEC 標準下，接觸放電為 ±12000V，空氣間隙放電為 ±15000V，EFT 為 ±4000V。這充分體現了器件在靜電防護方面的強大能力。

3.3 建議運行條件

• 輸入電壓范圍：高電平輸入電壓（驅動器、驅動器啟用和接收器啟用輸入）為 2 - 5.5V，低電平輸入電壓為 0 - 0.8V。
• 輸出電流限制：驅動器輸出電流為 - 60 - 60mA，接收器輸出電流為 - 8 - 8mA。
• 差分負載電阻與信令速率匹配：THVD1400 在信令速率為 500kbps 時，差分負載電阻為 54 - 60Ω；THVD1420 在信令速率為 12Mbps 時，需根據具體情況匹配合適的電阻。
• 溫度相關參數：結溫工作環境溫度為 - 40 - 150°C，熱關斷閾值為 150 - 170°C，結溫達到 170°C 時，內部熱關斷（TSD）電路會禁用驅動器輸出。

3.4 熱性能信息

不同封裝的器件熱性能有所差異，如 THVD1400 和 THVD1420 的結至環境熱阻、結至外殼（頂部）熱阻、結至電路板熱阻等參數各不相同。同時，功率耗散也會受到負載類型、信號傳輸速率、電源電壓等因素的影響。例如，在 VCC = 5.5V、TA = 125°C、50% 占空比方波信號下，不同負載情況下的功率耗散不同。

3.5 電氣特性

• 驅動器差分輸出電壓幅度：在不同負載和電源電壓條件下有相應的范圍，如 RL = 100Ω、CL = 50pF 時為 2 - 2.5V；RL = 54Ω、4.5V ≤ Vcc ≤ 5.5V 時可參考圖 6 - 2。
• 穩定狀態共模輸出電壓等其他參數：也有明確的規定和測試條件，這些參數對于確保器件的正常工作和信號傳輸質量至關重要。

3.6 開關特征

THVD1400 和 THVD1420 的開關特征在驅動器和接收器的上升和下降時間、傳播延遲、脈沖偏差、禁用和啟用時間等方面都有具體的數值范圍。例如，THVD1400 驅動器差分輸出上升和下降時間典型值為 400ns，THVD1420 則為 15 - 25ns，不同的開關特征決定了它們在不同應用場景中的適用性。

四、應用信息

4.1 典型應用場景

廣泛應用于工廠自動化與控制、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、智能電表等領域。在這些應用中，RS - 485 總線包含多個并聯到總線電纜的收發器，為消除線路反射，每個電纜末端需用一個端接電阻 RT，其值與電纜的特征阻抗匹配，這種方法稱為并行端接，可在更長的電纜長度上實現更高的數據速率。

4.2 設計要求

4.2.1 數據速率和總線長度

數據速率與電纜長度成反比，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。在實際設計中，需要根據具體應用需求合理選擇數據速率和電纜長度。

4.2.2 樁線長度

將節點連接到總線時，收發器輸入和電纜干線之間的距離（樁線）應盡可能短。樁線過長會引入反射，影響信號傳輸質量。通用指南是樁線的電氣長度或往返延遲應小于驅動器上升時間的十分之一，即 (L{(STUB) } leq 0.1 × t{r} × v × c)，其中 (t_{r}) 是驅動器上升時間的 10/90，c 是光速，v 是電纜或布線的信號速度。

4.2.3 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），1 個單元負載表示大約 12kΩ 的負載阻抗。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，大大提高了系統的擴展性。

4.2.4 接收器故障安全

THVD1400 的差分接收器在開路總線、總線短路、空閑總線等情況下會輸出失效防護邏輯高電平狀態，避免輸出未明確的情況。接收器失效防護通過將接收器閾值進行偏移來實現，輸入不確定范圍不包括零電壓差分。要符合 RS - 422 和 RS - 485 標準，接收器輸出必須在差分輸入 (V_{ID}) 正向大于 200mV 時輸出高電平，負向大于 - 200mV 時輸出低電平。

4.2.5 瞬態保護

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（浪涌瞬變），需要額外的保護措施。如 EFT 通常由繼電器觸點回跳或電感負載中斷引起，浪涌瞬變通常由雷擊或電力系統切換引起，在工業環境中較為常見。為保護總線節點免受高能瞬變的影響，可使用外部瞬變保護裝置，如針對 1kV 浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）瞬變，建議使用保護電路，并提供了相應的物料清單。

五、電源與布局建議

5.1 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，且電容位置應盡可能靠近電源引腳。這樣做有助于減少開關模式電源輸出中出現的電源電壓波紋，并且補償 PCB 電源層的電阻和電感。

5.2 布局指南

在工業環境中，由于可能出現浪涌瞬變，且其頻率帶寬較寬（大約 3MHz 至 300MHz），因此在 PCB 設計過程中必須應用高頻布局技術。具體包括：

• 將保護電路放置在靠近總線連接器的位置，防止噪聲瞬變在電路板上傳播。
• 使用 (V_{CC}) 和接地平面來提供低電感，因為高頻電流會選擇阻抗最小的路徑，而非電阻最小的路徑。
• 將保護元件設計成信號路徑的方向，避免將瞬態電流從信號路徑強行轉移至保護器件。
• 在盡可能靠近電路板上收發器、UART 和/或控制器 IC 的 (V_{CC}) 引腳的位置施加 100nF 至 220nF 去耦電容器。
• 當旁路電容和保護器件連接 (V_{CC}) 和接地時，應至少使用兩個過孔以更大限度減少走線和降低過孔電感。
• 使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉電阻用于使能線路，以在瞬態事件期間限制這些線路中的噪聲電流。
• 如果 TVS 鉗位電壓高于收發器總線引腳的指定最大電壓，則在 A 和 B 總線線路中插入防脈沖電阻器，限制進入收發器的剩余鉗位電流并防止其鎖存。
• 對于更高的瞬態，需要金屬氧化物壓敏電阻（MOV）將瞬態降低到幾百伏的鉗位電壓，以及瞬態阻斷單元（TBU）將瞬態電流限制在小于 1mA。

TI 的 THVD1400 和 THVD1420 3.3V 至 5V RS - 485 收發器憑借其豐富的特性、全面的保護功能和良好的性能，在工業通信領域具有很大的應用潛力。但在實際設計中，我們需要根據具體的應用場景和需求，合理考慮各項參數和設計要求，確保系統的穩定性和可靠性。大家在使用這兩款器件的過程中，是否也遇到過一些獨特的挑戰呢？歡迎在評論區分享交流。