采用小型封装、具有 ±12kV IEC ESD 保护功能的 THVD1400、THVD1420 3.3V 至 5V RS - 485 收发器解析

在工业通信领域，RS - 485 接口凭借其长距离、多节点通信的优势，被广泛应用于各种工业自动化系统中。今天，我们就来详细探讨一下 TI 推出的两款低功耗、半双工 RS - 485 收发器：THVD1400 和 THVD1420。

文件下载：thvd1420.pdf

产品概述

THVD1400 适用于高达 500kbps 的数据传输，而 THVD1420 则可支持高达 12Mbps 的数据传输。这两款收发器由 3 至 5.5V 单电源供电，总线引脚具备宽共模电压范围和低输入泄漏，非常适合长线缆上的多点应用。同时，它们还具有出色的 ESD 和 EFT 保护功能，能有效应对工业环境中的各种干扰。

产品特性剖析

电气性能

1. 电源电压范围广：支持 3V 至 5.5V 的电源电压，能适应不同的电源环境，为设计提供了更大的灵活性。
2. 数据速率差异：THVD1400 数据速率为 500kbps，THVD1420 可达 12Mbps，可根据实际应用场景选择合适的型号。
3. 低功耗设计：低待机电源电流小于 1µA，运行期间静态电流典型值为 1.5mA，有助于降低系统功耗，延长设备使用寿命。

保护特性

1. ESD 保护：内部 ESD 保护电路可根据高达 ±12kV（接触放电）、±15kV（空气间隙放电）的 IEC 61000 - 4 - 2 标准，保护收发器免受静电放电的影响。
2. EFT 保护：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，大大提高了设备在工业环境中的可靠性。
3. 总线故障保护：具备 ±16V 总线故障保护，能有效防止总线引脚上的过压情况对器件造成损坏。

封装优势

提供小型、节省空间的 8 引脚 SOT 封装选项（2.1mm x 1.2mm），同时也有业界通用的 8 引脚 SOIC 封装可供选择，方便不同的 PCB 布局需求。

其他特性

1. 较大接收器滞后：用于噪声抑制，可有效提高信号的抗干扰能力。
2. 无干扰上电/断电：适用于热插拔功能，确保系统在插拔过程中不会出现数据丢失或设备损坏的情况。
3. 开路、短路和空闲总线失效防护：差分接收器在开路总线、总线短路和空闲总线条件下，能输出失效防护逻辑高电平状态，保证接收器输出明确。
4. 1/8 单位负载：可将多达 256 个接收器连接到总线，满足大规模节点通信的需求。

规格参数解读

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值非常重要，超出这些值运行可能会对器件造成永久损坏。例如，电源电压范围为 - 0.5V 至 7V，任何逻辑引脚（D、DE 或 RE）上的输入电压范围为 - 0.3V 至 5.7V 等。在设计过程中，务必确保器件工作在这些额定值范围内。

ESD 等级

器件的 ESD 等级决定了其抗静电能力。THVD1400 和 THVD1420 的总线端子（A、B）和 GND 的人体放电模型（HBM）ESD 等级为 ±16,000V，所有其他引脚为 ±4,000V，同时还满足 IEC 61000 - 4 - 2 和 IEC 61000 - 4 - 4 标准的相关要求，这使得它们在实际应用中能更好地抵御静电干扰。

建议运行条件

建议运行条件是保证器件正常工作的关键参数。包括高电平输入电压、低电平输入电压、输出电流、差分负载电阻、信令速率、结温等。例如，结温工作环境温度范围为 - 40°C 至 125°C，每个应用都应考虑由于内部功率耗散引起的自热，最大结温受内部热关断（TSD）电路的限制，当结温达到 170°C 时，该电路会禁用驱动器输出。

热性能信息

热性能信息对于评估器件在不同工作条件下的散热情况至关重要。结至环境热阻、结至外壳（顶部）热阻和结至电路板热阻等参数，能帮助工程师合理设计散热方案，确保器件在高温环境下也能稳定工作。

电气特性

电气特性涵盖了驱动器差分输出电压幅度、稳定状态共模输出电压、驱动器短路输出电流、总线输入电流、接收器差分输入电压阈值等多个方面。这些参数直接影响着器件的信号传输质量和性能，在设计过程中需要根据实际需求进行合理匹配。

开关特征

开关特征包括驱动器和接收器的上升和下降时间、传播延迟、脉冲偏差、禁用时间和启用时间等。不同的数据速率要求对开关特征有不同的影响，例如 THVD1400 和 THVD1420 在驱动器差分输出上升和下降时间、传播延迟等方面就存在差异，工程师需要根据具体应用场景进行选择。

典型特性

典型特性通过一系列图表展示了驱动器输出电压与电流、驱动器差分输出电压与电流、驱动器传播延迟与温度、驱动器上升或下降时间与温度、电源电流与信号速率等之间的关系。这些图表能帮助工程师更好地了解器件在不同工作条件下的性能表现，为设计提供参考。

应用信息分析

典型应用场景

THVD1400 和 THVD1420 适用于多种工业应用，如工厂自动化与控制、楼宇自动化、电网基础设施、电机驱动器、电力输送、工业运输、HVAC 系统、视频监控和智能电表等。在这些应用中，RS - 485 总线通常包含多个并联到总线电缆的收发器，为了消除线路反射，每个电缆末端都用一个端接电阻 (R_{T})，其值与电缆的特征阻抗匹配。

设计要求

1. 数据速率和总线长度：数据速率与电缆长度成反比关系，在设计时需要根据实际需求平衡两者之间的关系。大多数 RS - 485 系统使用 10kbps 和 100kbps 之间的数据速率，但某些应用需要在 4000 英尺或更远的距离上高达 300kbps 的数据速率，通过允许高达 5% 或 10% 的小信号抖动，可以实现更长的距离。
2. 桩线长度：桩线长度应尽可能短，其电气长度或往返延迟应小于驱动器上升时间的十分之一，以减少反射对信号传输的影响。
3. 总线负载：RS - 485 标准规定，符合标准的驱动器必须能够驱动 32 个单元负载（UL），由于 THVD1400 包含 1/8 UL 收发器，因此可将多达 256 个接收器连接到总线。
4. 接收器故障安全：差分接收器在开路总线、总线短路和空闲总线条件下，能输出失效防护逻辑高电平状态，通过将接收器阈值进行偏移，确保输入不确定范围不包括零电压差分，从而提高总线故障条件下接收器输入的抗噪性。
5. 瞬态保护：虽然 THVD1400 收发器系列的总线引脚包括针对 ±16kV HBM 和 ±12kV 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），还需要实施外部瞬态保护装置。例如，建议使用保护电路来抵御 1kV 浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）瞬变。

详细设计过程

为了保护总线节点免受高能瞬变的影响，需要实施外部瞬变保护装置。文档中给出了针对半双工器件的浪涌瞬变的瞬态保护电路示例，并列出了相关的物料清单，包括收发器、电阻器和 TVS 瞬态抑制器等。

电源相关建议

为确保在所有数据速率和电源电压下可靠运行，应使用 100nF 陶瓷电容对各个电源进行去耦，该电容的位置应尽可能靠近电源引脚。这样有助于减少开关模式电源输出中出现的电源电压波纹，并且有助于补偿 PCB 电源层的电阻和电感。

布局指南与示例

布局指南

在 PCB 设计过程中，需要应用高频布局技术来抑制工业环境中可能出现的浪涌瞬变。具体包括将保护电路放置在靠近总线连接器的位置、使用 (V{CC}) 和接地平面来提供低电感、将保护元件设计成信号路径的方向、在靠近收发器等 IC 的 (V{CC}) 引脚位置施加去耦电容器、使用上拉和下拉电阻用于使能线路、插入防脉冲电阻器等。

布局示例

文档中提供了 SOIC 封装和 SOT 封装的布局示例，为工程师进行 PCB 布局提供了参考。

器件和文档支持

器件支持

可通过 TI E2E™ 支持论坛获取工程师的重要参考资料，直接从专家获得快速、经过验证的解答和设计帮助。

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总结

THVD1400 和 THVD1420 这两款 RS - 485 收发器凭借其出色的性能和丰富的特性，为工业通信领域提供了可靠的解决方案。在设计过程中，工程师需要根据具体应用场景，合理选择器件型号，关注各项规格参数和设计要求，同时注意电源去耦和 PCB 布局等方面的问题，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用 RS - 485 收发器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。