具有 IEC ESD 保護功能的 THVD24x0 ±70V 故障保護 3.3V 至 5V RS - 485 收發器：設計與應用解析

一、引言

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，被廣泛應用于各種自動化系統中。然而，惡劣的工業環境對 RS - 485 收發器的性能和可靠性提出了極高的要求。德州儀器（TI）的 THVD2410 和 THVD2450 收發器，以其出色的故障保護和 ESD 防護能力，為工業通信提供了可靠的解決方案。本文將深入探討這兩款收發器的特性、應用及設計要點。

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二、產品特性亮點

2.1 標準兼容性與功能安全

THVD2410 和 THVD2450 符合或超過 TIA/EIA - 485A 和 TIA/EIA - 422B 標準要求，并且提供功能安全相關文檔，有助于進行功能安全系統設計。這意味著在對安全性要求較高的工業應用中，工程師可以更加放心地使用這兩款收發器。

2.2 寬電源電壓與高性能輸出

3V 至 5.5V 的電源電壓范圍，使得這兩款收發器能夠適應不同的電源環境。在 5V 電源下，差分輸出超過 2.1V，與 PROFIBUS 兼容，為數據傳輸提供了穩定的信號。

2.3 強大的總線保護能力

• 故障保護：具備 ±70V 直流總線故障保護，能有效應對工業環境中可能出現的過壓情況，避免器件損壞。
• ESD 防護：提供 ±16kV HBM ESD、±12kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電和空氣間隙放電以及 ±4kV IEC 61000 - 4 - 4 快速瞬變脈沖保護，大大增強了器件的抗干擾能力。

2.4 速度等級與低功耗設計

提供兩種速度等級的半雙工器件，THVD2410 為 500kbps，THVD2450 為 50Mbps，可滿足不同應用場景對數據傳輸速率的要求。同時，低功耗特性顯著，低待機電源電流小于 1μA，運行期間電流小于 5.6mA，有助于降低系統功耗。

2.5 其他特性

• 寬溫度范圍：工作環境溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，適用于各種惡劣的工業環境。
• 高抗噪能力：擴展 ±25V 輸入共模范圍和增強型 250mV 接收器遲滯，確保在長電纜敷設和大接地環路電壓情況下的數據通信穩定可靠。
• 失效防護：具備開路、短路和空閑總線失效防護功能，以及熱關斷保護，提高了系統的可靠性。
• 小封裝設計：采用小型 VSON 和 VSSOP 封裝，節省布板空間，也可選擇 SOIC 封裝實現快插兼容性。

三、應用領域廣泛

THVD2410 和 THVD2450 適用于多種工業應用場景，包括電機驅動器、工廠自動化和控制、HVAC 系統、樓宇自動化、電網基礎設施、電表、過程分析以及視頻監控等。這些應用場景通常對通信的可靠性和穩定性要求較高，而這兩款收發器的特性正好滿足了這些需求。

四、器件詳細說明

4.1 基本工作原理

THVD2410 和 THVD2450 是 ±70V 故障保護、半雙工、RS - 422/RS - 485 收發器，由 3V 至 5.5V 的單電源供電。在所有運行模式下，均可保護總線接口引腳不受過壓條件破壞。

4.2 引腳配置與功能

兩款器件的引腳配置和功能基本相同，主要引腳包括總線輸入/輸出端口 A 和 B、驅動器數據輸入 D、驅動器使能 DE、接收器使能 RE、接收數據輸出 R、電源 VCC 和接地 GND 等。不同引腳的組合實現了驅動器和接收器的不同工作模式。

4.3 規格參數

• 絕對最大額定值：規定了器件在不同參數下的最大承受范圍，如電源電壓 - 0.5V 至 7V、總線電壓 - 70V 至 70V 等。超出這些范圍可能會對器件造成永久損壞。
• ESD 等級：包括人體放電模型（HBM）、充電器件模型（CDM）以及 IEC 標準下的 ESD 防護等級，確保器件在靜電環境下的可靠性。
• 建議運行條件：明確了器件正常運行時的各項參數范圍，如電源電壓、輸入電壓、輸出電流、信令速率、運行環境溫度等。

4.4 開關特性

不同速度等級的器件在開關特性上有所差異，如 THVD2410 和 THVD2450 的驅動器和接收器在上升/下降時間、傳播延遲、脈沖延遲、禁用時間和啟用時間等方面的參數不同，工程師在設計時需要根據具體應用選擇合適的器件。

4.5 典型特性曲線

文檔中給出了驅動器輸出電壓與電流、差分輸出電壓與電流、輸出電流與電源電壓、傳播延遲與溫度等之間的關系曲線，這些曲線有助于工程師更好地了解器件的性能特點，進行合理的電路設計。

五、應用設計要點

5.1 數據速率與總線長度

數據速率與電纜長度成反比關系，在設計時需要根據實際應用需求選擇合適的數據速率和電纜長度。對于 THVD2450 高達 50Mbps 的速率，需要確?；ミB足夠短，以保證數據質量。

5.2 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，以減少反射對信號的影響。

5.3 總線負載

RS - 485 標準規定驅動器需驅動 32 個單元負載，而 THVD24x0 器件包含 1/8 UL 收發器，可將多達 256 個接收器連接到總線，大大增加了總線的節點數量。

5.4 瞬態保護

雖然 THVD24x0 收發器具有片上 ESD 保護，但在工業環境中，還需要考慮針對浪涌瞬變和 EFT 的保護?？梢允褂?TVS 二極管等保護器件，并合理設計電路布局，以提高系統的抗干擾能力。

5.5 電源去耦

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。

5.6 PCB 布局

• 保護電路位置：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。
• 平面設計：使用 (V_{CC}) 和接地平面提供低電感，高頻電流會選擇阻抗最小的路徑。
• 元件設計：保護元件應設計成信號路徑的方向，避免瞬態電流轉移。
• 去耦電容：在靠近收發器、UART 和/或控制器 IC 的 (V_{CC}) 引腳位置應用 100nF 至 220nF 去耦電容器，并至少使用兩個過孔減小實際過孔電感。
• 上拉和下拉電阻：使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉電阻用于使能線路，限制瞬態事件期間的噪聲電流。
• 防脈沖電阻器：如果 TVS 鉗位電壓高于收發器總線引腳的指定最大電壓，在 A 和 B 總線線路中插入防脈沖電阻器。

六、總結

THVD2410 和 THVD2450 收發器以其豐富的特性和出色的性能，為工業 RS - 485 通信提供了可靠的解決方案。在設計過程中，工程師需要充分考慮數據速率、總線長度、樁線長度、總線負載、瞬態保護、電源去耦和 PCB 布局等因素，以確保系統的穩定性和可靠性。希望本文能為電子工程師在使用這兩款收發器進行設計時提供有益的參考。

大家在使用 THVD24x0 收發器進行設計時，是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評論區分享交流。