具有±18kV IEC ESD 保护功能的 THVD15xx 5V RS - 485 收发器详解

作为一名电子工程师，在工业通信领域，RS - 485 接口凭借其高可靠性、长传输距离等优点得到了广泛应用。今天要给大家详细介绍的是德州仪器（TI）推出的具有±18kV IEC ESD 保护功能的 THVD15xx 5V RS - 485 收发器系列，它在恶劣工业环境下表现出色，下面我们就一起来深入了解一下。

文件下载：thvd1510.pdf

特性亮点

电气特性与标准兼容

THVD15xx 系列收发器符合或超过 TIA/EIA - 485A 标准要求，采用 4.5V 至 5.5V 电源电压供电。其集成的总线 I/O 保护功能十分强大，能承受±30kV HBM ESD、±18kV IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接触放电、±25kV IEC 61000 - 4 - 2 ESD 空气间隙放电以及±4kV IEC 61000 - 4 - 4 电气快速瞬变，这使得它在复杂的工业环境中能有效抵御静电和瞬变干扰，保障设备的稳定运行。

性能优势

该系列器件具有扩展级运行共模范围（±15V），适用于长电缆上的多点应用。支持低 EMI 的 500kbps 和 50Mbps 数据速率，能满足不同应用场景对数据传输速率的需求。工作温度范围为 - 40°C 至 125°C，可适应各种恶劣的工业环境。此外，大接收器滞后设计有助于抑制噪声，提高信号接收的准确性。

低功耗设计

THVD15xx 系列在功耗方面表现出色，低待机电源电流小于 1µA，运行期间的电流小于 1mA。还具备适用于热插拔功能的无干扰加电/断电特性，以及开路、短路和空闲总线失效防护功能。并且提供 1/8 单位负载选项，最多可支持 256 个总线节点，大大提高了系统的扩展性。其采用小尺寸 VSSOP 封装，可节省布板空间，也有 SOIC 封装可供选择，以实现快插兼容性。

应用领域广泛

THVD15xx 系列收发器的应用场景十分广泛，涵盖了电机驱动器、工厂自动化与控制、电网基础设施、楼宇自动化、HVAC 系统、视频监控、过程分析以及电信基础设施等领域。在这些工业环境中，它能可靠地实现数据的传输和通信，为系统的稳定运行提供保障。

器件详细说明

产品概述

THVD15xx 是一系列抗噪 RS - 485/RS - 422 收发器，专为恶劣工业环境设计。总线引脚可耐受高级别的 IEC 电气快速瞬变（EFT）和 IEC 静电放电（ESD）事件，无需额外的系统级保护组件。每个器件由 5V 单电源供电，采用小型 VSSOP 封装，适用于空间受限的应用，在自然通风环境下的额定温度范围为 - 40°C 至 125°C。

器件信息

该系列包含 THVD1510、THVD1512、THVD1550、THVD1551 和 THVD1552 等型号，不同型号在封装和尺寸上有所差异。例如，THVD1510 采用 VSSOP (8) 封装，尺寸为 3.00mm x 3.00mm；THVD1550 采用 SOIC (8) 封装，尺寸为 4.90mm x 3.91mm。具体的封装信息可参考产品说明书末尾的可订购产品附录。

修订历史记录

产品在发展过程中会不断进行改进和优化，THVD15xx 系列也不例外。从修订历史记录中可以看到，不同版本之间在引脚功能描述、电气特性参数等方面进行了调整。例如，从 Revision A 到 Revision B，在电气特性表中增加了 $T_{SD}$ 参数；从 Revision B 到 Revision C，更改了 THVD1512 和 THVD1552 D 封装引脚功能表中引脚 13 和 14 的描述。

器件对比

不同型号的 THVD15xx 收发器在双工模式、使能方式、信号速率和支持的节点数等方面存在差异。例如，THVD1512 为全双工模式，支持 DE 和 RE 使能，信号速率可达 500kbps，支持 256 个节点；而 THVD1551 为全双工模式，无外部使能引脚，信号速率可达 50Mbps。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的型号。

引脚配置与功能

不同型号的 THVD15xx 收发器引脚配置和功能也有所不同。以 THVD1510 和 THVD1550 的 8 - Pin D 封装（SOIC）为例，引脚 A 和 B 为总线输入/输出端口，D 为驱动器数据输入，DE 为驱动器使能（高电平有效，内部有 2MΩ 下拉电阻），GND 为接地，R 为接收数据输出，Vcc 为 5V 电源，RE 为接收器使能（低电平有效，内部有 2MΩ 上拉电阻）。了解引脚的功能对于正确使用收发器至关重要。

规格参数分析

绝对最大额定值

在使用 THVD15xx 收发器时，需要注意其绝对最大额定值。例如，电源电压 VCC 的范围为 - 0.5V 至 7V，任何总线引脚（A、B、Y 或 Z）的电压范围为 - 18V 至 18V，逻辑引脚（D、DE 或 RE）的输入电压范围为 - 0.3V 至 5.7V 等。超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏，因此在设计电路时必须严格遵守。

ESD 评级

该系列收发器的 ESD 保护能力很强，总线端子和 GND 的接触放电可达±18,000V，空气间隙放电可达±25,000V，人体模型（HBM）可达±30,000V，带电设备模型（CDM）可达±1,500V，机器模型（MM）可达±200V，电气快速瞬变（EFT）可达±4,000V。这些高 ESD 评级确保了器件在实际应用中能有效抵御静电干扰。

推荐工作条件

为了保证收发器的正常工作，需要满足推荐的工作条件。例如，电源电压 Vcc 应在 4.5V 至 5.5V 之间，总线端子的输入电压范围为 - 15V 至 15V，高电平输入电压（驱动器、驱动器使能和接收器使能输入）应在 2V 至 Vcc 之间等。同时，不同型号的信号速率也有相应的要求，THVD1510 和 THVD1512 的信号速率为 500kbps，THVD1550、THVD1551 和 THVD1552 的信号速率为 50Mbps。

热信息

热信息对于评估器件在不同工作条件下的散热情况非常重要。不同封装的 THVD15xx 收发器在热阻等参数上有所不同，例如，THVD1510 和 THVD1550 的 D（SOIC）8 引脚封装的结到环境热阻为 112.4°C/W，而 VSSOP 封装的结到环境热阻为 151.4°C/W。在设计散热方案时，需要根据具体的封装和工作条件进行合理考虑。

功耗分析

在不同的负载和工作条件下，THVD15xx 收发器的功耗也有所不同。例如，在驱动器和接收器均启用，Vcc = 5.5V，TA = 125°C，50% 占空比方波信号速率下，采用 RS - 485 负载（RL = 54Ω，CL = 50pF）时，THVD151x 的功耗为 250mW，THVD155x 的功耗为 340mW。了解功耗特性有助于合理设计电源和散热方案。

电气特性

电气特性参数是评估收发器性能的重要依据。例如，驱动器的差分输出电压幅度在不同负载下有不同的要求，接收器的输入阈值电压、滞后电压等参数也会影响信号的接收和处理。在实际应用中，需要根据具体的系统要求选择合适的参数。

开关特性

开关特性描述了收发器在信号切换过程中的性能，包括上升/下降时间、传播延迟、脉冲偏移等参数。不同型号的收发器在开关特性上有所差异，例如，500 - kbps 器件（THVD1510、THVD1512）的驱动器差分输出上升/下降时间为 300ns 至 600ns，而 50 - Mbps 器件（THVD1550、THVD1551、THVD1552）的驱动器差分输出上升/下降时间为 1ns 至 6ns。了解开关特性有助于优化系统的信号传输性能。

典型特性

文档中还给出了一些典型特性曲线，如驱动器输出电压与驱动器输出电流的关系、驱动器差分输出电压与驱动器输出的关系等。这些曲线可以帮助我们直观地了解收发器在不同工作条件下的性能表现，为电路设计提供参考。

详细工作原理与功能模式

概述

THVD1510 和 THVD1550 为低功耗半双工 RS - 485 收发器，有 500kbps 和 50Mbps 两种速度等级；THVD1551 为全使能型，无外部使能引脚；THVD1512 和 THVD1552 具有高电平有效的驱动器使能和低电平有效的接收器使能。通过禁用驱动器和接收器，可实现小于 1µA 的待机电流。

功能框图

文档中给出了不同型号收发器的功能框图，通过功能框图可以清晰地了解收发器的内部结构和信号流程，有助于我们理解其工作原理和进行电路设计。

特性描述

THVD15xx 系列的内部 ESD 保护电路能有效保护收发器免受高达±18kV 的 IEC 61000 - 4 - 2 静电放电和高达±4kV 的 IEC 61000 - 4 - 4 电气快速瞬变的影响。同时，该系列还提供接收器输入阈值的内部偏置和大输入阈值滞后，在总线空闲或短路条件下，接收器输出保持逻辑高电平，无需外部故障安全偏置电阻。

器件功能模式

不同型号的 THVD15xx 收发器在功能模式上有所不同。以 THVD1510 和 THVD1550 为例，当驱动器使能引脚 DE 为高电平时，差分输出 A 和 B 跟随数据输入 D 的逻辑状态；当 DE 为低电平时，输出为高阻态。当接收器使能引脚 $overline{RE}$ 为低电平时，接收器启用，根据差分输入电压 $V_{ID}$ 的大小输出相应的逻辑电平；当 $overline{RE}$ 为高电平时，接收器输出为高阻态。在总线开路、短路或空闲时，接收器输出为故障安全高电平。

应用与设计要点

应用信息

THVD15xx 系列包括半双工和全双工 RS - 485 收发器，常用于异步数据传输。半双工器件的驱动器和接收器使能引脚可配置不同的工作模式，全双工实现需要两对信号（四根线），允许每个节点在一对线上发送数据的同时在另一对线上接收数据。

典型应用

在典型的 RS - 485 网络中，多个收发器并联连接到总线电缆，为了消除线路反射，每个电缆末端需要用一个终端电阻 $R{T}$ 进行端接，其值应与电缆的特性阻抗 $Z{0}$ 匹配。这种并行端接方法通常允许在更长的电缆长度上实现更高的数据速率。

设计要求

数据速率和总线长度

数据速率和电缆长度之间存在反比关系，即数据速率越高，电缆长度越短；反之，数据速率越低，电缆长度越长。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的数据速率和电缆长度。例如，大多数 RS - 485 系统使用的数据速率在 10kbps 至 100kbps 之间，而某些应用可能需要在 4000 英尺及更长的距离上实现高达 250kbps 的数据速率。

短截线长度

在将节点连接到总线时，短截线（收发器输入与电缆主干之间的距离）应尽可能短。短截线过长会引入反射，影响信号质量。一般来说，短截线的电气长度（往返延迟）应小于驱动器上升时间的十分之一。

总线负载

RS - 485 标准规定，合规的驱动器必须能够驱动 32 个单位负载（UL），每个单位负载代表约 12kΩ 的负载阻抗。由于 THVD15xx 系列为 1/8 UL 收发器，因此最多可将 256 个接收器连接到总线。

接收器故障安全

THVD15xx 系列的差分接收器具有故障安全功能，能够应对总线开路、短路和空闲等无效总线状态。通过偏移接收器阈值，使输入不确定范围不包括零伏差分，确保在这些情况下接收器输出为故障安全高电平。

瞬态保护

THVD15xx 收发器的总线引脚具有片上 ESD 保护，可抵御±30kV HBM 和±18kV IEC 61000 - 4 - 2 接触放电。在工业环境中，还可能遇到持续时间更长的瞬变，如浪涌瞬变，设计者可选择实施相应的保护措施。

详细设计流程

文档中给出了针对 1kV 浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）瞬变的保护电路示例，并列出了相关的物料清单。在设计电路时，需要根据实际情况选择合适的保护器件和参数。

应用曲线

文档中给出了 THVD1510 和 THVD1550 在 60Ω 端接时的波形图，通过这些波形图可以直观地了解收发器在实际应用中的信号传输情况，为电路设计和调试提供参考。

电源与布局建议

电源建议

为了确保 THVD15xx 收发器在所有数据速率和电源电压下可靠运行，每个电源应使用一个 100nF 的陶瓷电容进行去耦，该电容应尽可能靠近电源引脚放置。这样可以减少开关模式电源输出上的电源电压纹波，补偿 PCB 电源平面的电阻和电感。

布局指南

在 PCB 设计中，为了保护收发器免受工业环境中可能出现的浪涌瞬变的影响，需要采用外部瞬态保护器件，并应用高频布局技术。具体建议包括：将保护电路靠近总线连接器放置，使用 $V{CC}$ 和接地平面提供低电感，将保护组件设计在信号路径方向上，在 $V{CC}$ 引脚附近使用去耦电容，使用多个过孔连接去耦电容和保护器件，使用上拉和下拉电阻限制使能线中的噪声电流，在总线线路中插入脉冲保护电阻等。

布局示例

文档中给出了半双工和全双工布局的示例，通过这些示例可以了解如何在 PCB 上合理布局收发器和保护器件，以提高系统的可靠性和抗干扰能力。

器件和文档支持

器件支持

TI 为 THVD15xx 系列收发器提供了全面的器件支持，包括技术文档、工具和软件、支持和社区资源等。用户可以通过相关链接快速访问这些资源，获取所需的信息和帮助。

第三方产品免责声明

TI 发布的与第三方产品或服务有关的信息，不构成对这些产品或服务的认可或担保，用户需要自行评估第三方产品的适用性。

相关链接

文档中列出了快速访问链接，包括技术文档、支持和社区资源、工具和软件以及立即订购等类别，方便用户获取相关信息。

接收文档更新通知

用户可以在 TI.com.cn 上注册接收文档更新通知，及时了解产品信息的变化。

社区资源

TI 提供了 E2E™ 在线社区，工程师可以在该社区中咨询问题、分享知识、拓展思路并与同行一起解决问题。

商标和静电放电警告

文档中对相关商标进行了说明，并提醒用户注意静电放电对器件的影响，在存储或装卸时应采取相应的防护措施。

术语表

文档中还提供了术语表，对相关术语、缩写和定义进行了解释，方便用户理解文档内容。

机械、封装和可订购信息

文档详细介绍了 THVD15xx 系列收发器的机械、封装和可订购信息，包括不同型号的封装尺寸、包装形式、引脚数量、RoHS 合规性、引脚镀层材料、MSL 评级、工作温度范围和零件标记等。用户可以根据这些信息选择合适的产品和封装形式。

总之，THVD15xx 系列 5V RS - 485 收发器凭借其出色的 ESD 保护功能、低功耗设计、广泛的应用场景和全面的技术支持，为