探索 THVD24x2：工业通信的理想 RS-485 收发器解决方案

引言

在工业通信领域，可靠的数据传输是系统稳定运行的关键。RS-485 作为一种广泛应用的串行通信标准，能够满足长距离、多节点通信的需求。然而，恶劣的工业环境对通信设备提出了更高的要求，如故障保护、ESD 防护、抗干扰能力等。今天，我们将深入探讨 Texas Instruments 的 THVD24x2 系列收发器，看看它是如何应对这些挑战的。

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THVD24x2 产品概述

THVD24x2 系列包括 THVD2412 和 THVD2442 两款产品，它们是具有 IEC ESD 保护功能的 ±70V 故障保护、3V 至 5.5V 全双工 RS-485 收发器。采用 10-VSON 封装，适用于空间受限型应用。THVD2412 允许高达 250kbps 的数据传输，而 THVD2442 则适合高达 20Mbps 的高速数据传输。

关键特性剖析

1. 总线 I/O 保护

• ±70V 直流总线故障保护：在恶劣工业环境中，总线电压瞬变是常见问题。THVD24x2 无需任何外部元件即可在高达 ±70V 的电压下受到保护，相比标准 RS-485 器件，大大简化了系统设计并降低了整体成本。
• ESD 和 EFT 保护：内部 ESD 保护电路可根据高达 ±8 kV 的 IEC 61000-4-2 标准，保护收发器免受静电放电的影响，并根据高达 ±4kV 的 IEC 61000-4-4 标准保护收发器免受电气快速瞬变的影响。这使得它在复杂的工业环境中具有更高的可靠性。

2. 高速与低功耗

• 两种速度等级：提供 250kbps（THVD2412）和 20Mbps（THVD2442）两种速度等级的全双工器件，可满足不同应用场景对数据速率的要求。
• 低功耗设计：低待机电源电流 <10 μA，运行期间的电流 <5.6 mA，有效降低了系统功耗。

3. 增强型抗干扰性能

• 宽共模电压范围：扩展的运行共模电压范围为 ±25V，可在更长的电缆敷设长度和/或存在大接地环路电压的情况下实现可靠的数据通信。
• 增强型接收器迟滞：250mV（典型值）的接收器迟滞可增强抗噪能力，即使在输入振幅很小的情况下也能保持信号的占空比。

4. 失效防护与热关断

• 失效防护功能：当总线输入同时开路、短路或空闲时，接收器失效防护功能可提供逻辑高电平状态，确保系统在异常情况下仍能稳定运行。
• 热关断保护：如果结温超过阈值，热关断保护功能会因过多功率耗散而禁用驱动器和接收器，避免器件损坏。

5. 小封装节省空间

采用小型 3mm x 3mm VSON 封装，可有效节省布板空间，适用于对空间要求较高的应用场景。

应用场景广泛

1. 电机驱动器

在电机驱动器中，需要实时、准确地传输控制信号和反馈信息。THVD24x2 的高速数据传输能力和可靠的总线保护功能，能够确保电机控制系统的稳定运行。

2. 工厂自动化和控制

工厂自动化系统通常包含多个节点，需要长距离、多节点的通信。THVD24x2 的宽共模电压范围和抗干扰能力，使其能够适应复杂的工厂环境，实现可靠的数据通信。

3. HVAC 系统和楼宇自动化

在 HVAC 系统和楼宇自动化中，需要对各种设备进行监控和控制。THVD24x2 的低功耗设计和小封装尺寸，适合安装在空间有限的设备中，同时其可靠的通信性能能够确保系统的稳定运行。

4. 电网基础设施和电表

电网基础设施和电表需要在恶劣的电气环境中进行数据传输。THVD24x2 的高 ESD 和 EFT 防护能力，能够有效抵御电气干扰，保证数据传输的准确性和可靠性。

5. 过程分析和视频监控

过程分析和视频监控系统对数据传输的实时性和准确性要求较高。THVD24x2 的高速数据传输能力和抗干扰性能，能够满足这些应用场景的需求。

引脚配置与功能

引脚配置

THVD24x2 采用 10 引脚 VSON 封装，其引脚配置包括接收数据输出（R）、接收器使能输入（RE）、驱动器使能输入（DE）、传输数据输入（D）、接地（GND）、驱动器同相输出（Y）、驱动器反相输出（Z）、接收器反相总线输入（B）、接收器同相总线输入（A）和电源（VCC）。此外，散热焊盘应连接到 GND 平面以获得最佳热性能。

功能说明

• 驱动器功能：当驱动器使能引脚 DE 为逻辑高电平时，差分输出 Y 和 Z 跟随数据输入 D 的逻辑状态；当 DE 为低电平时，两个输出都变为高阻态。
• 接收器功能：当接收器使能引脚 RE 为逻辑低电平时，接收器被启用；当 RE 为逻辑高电平或处于开路时，接收器输出为高阻抗。

规格参数详解

1. 绝对最大额定值

• 电源电压范围为 -0.5V 至 6.5V，总线电压范围为 -70V 至 70V，输入电压范围为 -0.3V 至 5.7V。超出这些范围运行可能会对器件造成永久损坏。

2. ESD 等级

• 总线端子和 GND 的人体放电模型（HBM）ESD 等级为 ±16000V，除总线端子和 GND 外的所有引脚为 ±4000V；充电器件模型（CDM）ESD 等级为 ±1500V。IEC ESD 等级方面，总线端子和 GND 的接触放电和空气间隙放电均为 ±8000V，总线终端的电气快速瞬变（EFT）等级为 ±4000V。

3. 建议运行条件

• 电源电压范围为 3V 至 5.5V，总线端子输入电压范围为 -25V 至 25V，信令速率方面，THVD2412 为 250kbps，THVD2442 为 20Mbps，工作环境温度范围为 -40°C 至 125°C。

4. 热性能信息

• 结至环境热阻为 46.7°C/W，结至电路板热阻为 19.1°C/W 等，这些参数对于评估器件的散热性能非常重要。

5. 功率耗散

• 在不同的负载条件和信号传输速率下，THVD2412 和 THVD2442 的功率耗散有所不同。例如，在 RS-485 负载（RL = 54Ω、CL = 50pF）下，THVD2412 在 250kbps 时功率耗散为 315mW，THVD2442 在 20Mbps 时为 355mW。

6. 电气特性

• 驱动器：差分输出电压幅度在不同负载和电源电压条件下有所不同，如在 RL = 60Ω、4.5V ≤ VCC ≤ 5.5V 时，典型值为 2.1V 至 3.3V。
• 接收器：总线输入电流、输入阈值电压、输入迟滞等参数都有明确的规定，确保了接收器的可靠性和抗干扰能力。

7. 开关特性

• 不同速度等级的器件在上升/下降时间、传播延迟、脉冲延迟等开关特性方面有所差异。例如，THVD2412 在 250kbps 时，差分输出上升/下降时间在 VCC = 4.5V 至 5.5V 时典型值为 500 至 710ns；THVD2442 在 20Mbps 时，差分输出上升/下降时间在 VCC = 4.5V 至 5.5V 时典型值为 4 至 7ns。

应用设计要点

1. 数据速率与总线长度

数据速率与电缆长度成反比关系。在设计应用时，需要根据实际需求选择合适的数据速率和电缆长度。对于大多数 RS-485 系统，常用的数据速率介于 10kbps 和 100kbps 之间，但在某些应用中，如需要在 4000 英尺或更远距离范围内传输数据，可能需要高达 250kbps 的数据速率。通过允许一定的小信号抖动（如 5% 或 10%），可以实现更长的距离。

2. 桩线长度

将节点连接到总线时，收发器输入和电缆干线之间的桩线应尽可能短。一般来说，桩线的电气长度或往返延迟应小于驱动器上升时间的十分之一，以减少反射对信号的影响。

3. 总线负载

RS-485 标准规定驱动器必须能够驱动 32 个单元负载（UL），1 个单元负载约为 12kΩ 的负载阻抗。由于 THVD24x2 器件包含 1/8 UL 收发器，其输入阻抗约为 96kΩ，因此可在 -7V 至 12V 的有限共模范围内将多达 256 个接收器连接到总线。

4. 瞬态保护

虽然 THVD24x2 收发器的总线引脚包括针对 ±16kV HBM 和 ±8kV IEC 61000-4-2 接触放电的片上 ESD 保护，但对于持续时间较长的瞬变（如浪涌瞬变），可能需要额外的保护措施。建议使用保护电路来抵御 1kV 浪涌（IEC 61000-4-5）瞬变，如使用 SMAJ30CA TVS 二极管。

5. 电源与布局

• 电源去耦：为了在所有数据速率和电源电压下可靠运行，可使用 100nF 陶瓷电容对 VCC 电源进行去耦，该电容应尽可能靠近器件电源引脚。
• 布局指南：在 PCB 设计过程中，应采用高频布局技术。将保护电路放置在靠近总线连接器的位置，使用 VCC 和接地平面提供低电感，将保护元件设计成信号路径的方向，靠近收发器、UART 和/或控制器 IC 的 VCC 引脚放置去耦电容器，使用上拉和下拉电阻限制使能线路中的噪声电流等。

总结

THVD24x2 系列收发器以其出色的故障保护、ESD 防护、抗干扰能力和低功耗设计，成为工业通信领域的理想选择。无论是在电机驱动、工厂自动化还是电网基础设施等应用中，都能够提供可靠的数据传输解决方案。电子工程师在设计相关系统时，可以根据实际需求灵活选择 THVD2412 或 THVD2442，并遵循其应用设计要点，以确保系统的稳定性和可靠性。你在实际应用中是否遇到过类似收发器的问题，又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。