具有±18kV IEC ESD 保護功能的 THVD15xx 5V RS - 485 收發器詳解

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

文件下載：thvd1510.pdf

特性亮點

電氣特性與標準兼容

THVD15xx 系列收發器符合或超過 TIA/EIA - 485A 標準要求，采用 4.5V 至 5.5V 電源電壓供電。其集成的總線 I/O 保護功能十分強大，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，這使得它在復雜的工業環境中能有效抵御靜電和瞬變干擾，保障設備的穩定運行。

性能優勢

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

低功耗設計

THVD15xx 系列在功耗方面表現出色，低待機電源電流小于 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功能。并且提供 1/8 單位負載選項，最多可支持 256 個總線節點，大大提高了系統的擴展性。其采用小尺寸 VSSOP 封裝，可節省布板空間，也有 SOIC 封裝可供選擇，以實現快插兼容性。

應用領域廣泛

THVD15xx 系列收發器的應用場景十分廣泛，涵蓋了電機驅動器、工廠自動化與控制、電網基礎設施、樓宇自動化、HVAC 系統、視頻監控、過程分析以及電信基礎設施等領域。在這些工業環境中，它能可靠地實現數據的傳輸和通信，為系統的穩定運行提供保障。

器件詳細說明

產品概述

THVD15xx 是一系列抗噪 RS - 485/RS - 422 收發器，專為惡劣工業環境設計。總線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，無需額外的系統級保護組件。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用，在自然通風環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品說明書末尾的可訂購產品附錄。

修訂歷史記錄

產品在發展過程中會不斷進行改進和優化，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、電氣特性參數等方面進行了調整。例如，從 Revision A 到 Revision B，在電氣特性表中增加了 $T_{SD}$ 參數；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 收發器在雙工模式、使能方式、信號速率和支持的節點數等方面存在差異。例如，THVD1512 為全雙工模式，支持 DE 和 RE 使能，信號速率可達 500kbps，支持 256 個節點；而 THVD1551 為全雙工模式，無外部使能引腳，信號速率可達 50Mbps。在實際應用中，需要根據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 為驅動器數據輸入，DE 為驅動器使能（高電平有效，內部有 2MΩ 下拉電阻），GND 為接地，R 為接收數據輸出，Vcc 為 5V 電源，RE 為接收器使能（低電平有效，內部有 2MΩ 上拉電阻）。了解引腳的功能對于正確使用收發器至關重要。

規格參數分析

絕對最大額定值

在使用 THVD15xx 收發器時，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，因此在設計電路時必須嚴格遵守。

ESD 評級

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

推薦工作條件

為了保證收發器的正常工作，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（驅動器、驅動器使能和接收器使能輸入）應在 2V 至 Vcc 之間等。同時，不同型號的信號速率也有相應的要求，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 收發器在熱阻等參數上有所不同，例如，THVD1510 和 THVD1550 的 D（SOIC）8 引腳封裝的結到環境熱阻為 112.4°C/W，而 VSSOP 封裝的結到環境熱阻為 151.4°C/W。在設計散熱方案時，需要根據具體的封裝和工作條件進行合理考慮。

功耗分析

在不同的負載和工作條件下，THVD15xx 收發器的功耗也有所不同。例如，在驅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計電源和散熱方案。

電氣特性

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

開關特性

開關特性描述了收發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。不同型號的收發器在開關特性上有所差異，例如，500 - kbps 器件（THVD1510、THVD1512）的驅動器差分輸出上升/下降時間為 300ns 至 600ns，而 50 - Mbps 器件（THVD1550、THVD1551、THVD1552）的驅動器差分輸出上升/下降時間為 1ns 至 6ns。了解開關特性有助于優化系統的信號傳輸性能。

典型特性

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

詳細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動器使能和低電平有效的接收器使能。通過禁用驅動器和接收器，可實現小于 1μA 的待機電流。

功能框圖

文檔中給出了不同型號收發器的功能框圖，通過功能框圖可以清晰地了解收發器的內部結構和信號流程，有助于我們理解其工作原理和進行電路設計。

特性描述

THVD15xx 系列的內部 ESD 保護電路能有效保護收發器免受高達±18kV 的 IEC 61000 - 4 - 2 靜電放電和高達±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 收發器在功能模式上有所不同。以 THVD1510 和 THVD1550 為例，當驅動器使能引腳 DE 為高電平時，差分輸出 A 和 B 跟隨數據輸入 D 的邏輯狀態；當 DE 為低電平時，輸出為高阻態。當接收器使能引腳 $overline{RE}$ 為低電平時，接收器啟用，根據差分輸入電壓 $V_{ID}$ 的大小輸出相應的邏輯電平；當 $overline{RE}$ 為高電平時，接收器輸出為高阻態。在總線開路、短路或空閑時，接收器輸出為故障安全高電平。

應用與設計要點

應用信息

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

典型應用

在典型的 RS - 485 網絡中，多個收發器并聯連接到總線電纜，為了消除線路反射，每個電纜末端需要用一個終端電阻 $R{T}$ 進行端接，其值應與電纜的特性阻抗 $Z{0}$ 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更高的數據速率。

設計要求

數據速率和總線長度

數據速率和電纜長度之間存在反比關系，即數據速率越高，電纜長度越短；反之，數據速率越低，電纜長度越長。在實際應用中，需要根據具體需求選擇合適的數據速率和電纜長度。例如，大多數 RS - 485 系統使用的數據速率在 10kbps 至 100kbps 之間，而某些應用可能需要在 4000 英尺及更長的距離上實現高達 250kbps 的數據速率。

短截線長度

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

總線負載

RS - 485 標準規定，合規的驅動器必須能夠驅動 32 個單位負載（UL），每個單位負載代表約 12kΩ 的負載阻抗。由于 THVD15xx 系列為 1/8 UL 收發器，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，能夠應對總線開路、短路和空閑等無效總線狀態。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。

瞬態保護

THVD15xx 收發器的總線引腳具有片上 ESD 保護，可抵御±30kV HBM 和±18kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電。在工業環境中，還可能遇到持續時間更長的瞬變，如浪涌瞬變，設計者可選擇實施相應的保護措施。

詳細設計流程

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

應用曲線

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器在實際應用中的信號傳輸情況，為電路設計和調試提供參考。

電源與布局建議

電源建議

為了確保 THVD15xx 收發器在所有數據速率和電源電壓下可靠運行，每個電源應使用一個 100nF 的陶瓷電容進行去耦，該電容應盡可能靠近電源引腳放置。這樣可以減少開關模式電源輸出上的電源電壓紋波，補償 PCB 電源平面的電阻和電感。

布局指南

在 PCB 設計中，為了保護收發器免受工業環境中可能出現的浪涌瞬變的影響，需要采用外部瞬態保護器件，并應用高頻布局技術。具體建議包括：將保護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，將保護組件設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 上合理布局收發器和保護器件，以提高系統的可靠性和抗干擾能力。

器件和文檔支持

器件支持

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

第三方產品免責聲明

TI 發布的與第三方產品或服務有關的信息，不構成對這些產品或服務的認可或擔保，用戶需要自行評估第三方產品的適用性。

相關鏈接

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

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，及時了解產品信息的變化。

社區資源

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

商標和靜電放電警告

文檔中對相關商標進行了說明，并提醒用戶注意靜電放電對器件的影響，在存儲或裝卸時應采取相應的防護措施。

術語表

文檔中還提供了術語表，對相關術語、縮寫和定義進行了解釋，方便用戶理解文檔內容。

機械、封裝和可訂購信息

文檔詳細介紹了 THVD15xx 系列收發器的機械、封裝和可訂購信息，包括不同型號的封裝尺寸、包裝形式、引腳數量、RoHS 合規性、引腳鍍層材料、MSL 評級、工作溫度范圍和零件標記等。用戶可以根據這些信息選擇合適的產品和封裝形式。

總之，THVD15xx 系列 5V RS - 485 收發器憑借其出色的 ESD 保護功能、低功耗設計、廣泛的應用場景和全面的技術支持，為