THVD1454：灵活的半双工 RS - 485 收发器设计解析

在工业自动化、楼宇控制等众多领域，RS - 485 通信标准凭借其长距离传输、多点通信等优势得到了广泛应用。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）推出的 THVD1454，一款具有集成 120Ω 可切换终端和压摆率控制功能的 3V 至 5.5V 半双工 RS - 485 收发器，看看它在实际设计中能为工程师们带来哪些便利和优势。

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一、产品概述

THVD1454 是一款专为工业应用打造的灵活半双工 RS - 485 收发器。它不仅符合或超出 TIA/EIA - 485A 标准要求，还具备片上 120Ω 端接电阻器和驱动器输出压摆率控制等功能，且这两个特性均由引脚控制。这使得该器件可以在任何网络中的任何节点位置（末端节点或中间节点）使用，无论是慢速还是快速通信场景。终端设备设计人员可以设计通用印刷电路板（PCB），并使用软件配置 PCB 来满足各种应用需求，从而节省设计和鉴定时间。

二、关键特性分析

2.1 电源与兼容性

• 宽电源电压范围：支持 3V 至 5.5V 电源电压，这使得它在不同的电源环境下都能稳定工作，具有很强的适应性。
• PROFIBUS 兼容性：在 5V 电源下，差分输出超过 2.1V，与 PROFIBUS 兼容，为工业现场总线通信提供了便利。

2.2 数据速率与端接控制

• 可配置数据速率：通过 SLR 引脚控制，最大数据速率可配置。当 SLR 为高电平时，数据速率为 500 kbps；当 SLR 为低电平或悬空时，数据速率可达 20 Mbps。这种可配置性使得它能适应不同的通信速率要求。
• 片上端接电阻：总线引脚之间的引脚控制片上 120Ω 端接电阻，通过 TERM 引脚控制其启用或禁用。这一特性简化了 PCB 设计，减少了外部元件的使用。

2.3 保护特性

• ESD 保护：总线引脚具备出色的 ESD 保护能力，可耐受 ±16kV HBM ESD、±8kV IEC 61000 - 4 - 2 接触放电、±15kV IEC 61000 - 4 - 2 空气间隙放电以及 ±4kV IEC 61000 - 4 - 4 快速瞬变脉冲，无需额外的系统级保护元件。
• 总线故障保护：具备 ±16V 总线故障保护，确保在总线引脚上出现异常电压时，器件仍能正常工作。
• 热保护：具有热关断功能，当结温达到典型的 170°C 时，会禁用驱动器输出，保护器件不受过热损坏。

2.4 低功耗设计

• 关断电源电流：关断电源电流小于 5μA，在不工作时能有效降低功耗。
• 运行期间静态电流：运行期间静态电流小于 3mA，进一步降低了系统的整体功耗。

三、引脚配置与功能

THVD1454 采用 10 引脚 VSON 封装（3mm x 3mm），各引脚功能如下：	PIN NAME	NO.	TYPE	DESCRIPTION
R	1	Digital output	Logic output RS - 485 data
RE	2	Digital input	Receiver enable/disable. Internal pull - up. Receiver disabled by default
DE	3	Digital input	Driver enable/disable. Internal pull - down. Driver disabled by default
D	4	Digital input	Logic input RS485 data. Internal pull - up. Drives the bus high by default if driver is enabled
TERM	5	Digital input	120Ω on - chip termination control for A/B pins. Internal pull - down. Termination across A/B is disabled by default
GND	6	GND	Ground
SLR	7	Digital input	Slew rate control. Internal pull - down, default 20 Mbps operation. Logic high SLR enables slow speed (500 kbps)
A	8	Bus input/output	RS - 485 bus pin. This pin is non - inverting driver output or non - inverting receiver input
B	9	Bus input/output	RS - 485 bus pin. This pin is inverting driver output or inverting receiver input
Vcc	10	Power	3V to 5.5 V supply
Thermal Pad			Connect to GND for optimal thermal and electrical performance

通过这些引脚，我们可以方便地控制收发器的工作模式、数据速率和端接电阻等功能。

四、应用设计要点

4.1 典型应用场景

THVD1454 适用于工厂自动化与控制、楼宇自动化、电机驱动、电力输送、工业运输、HVAC 系统、智能电表等多种工业应用场景。在这些场景中，它可以实现可靠的 RS - 485 通信。

4.2 设计要求与考虑因素

• 数据速率与总线长度：数据速率和电缆长度之间存在反比关系。一般来说，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。在设计时，需要根据实际需求合理选择数据速率和电缆长度。
• Stub 长度：连接节点到总线时，Stub 长度应尽可能短。一般来说，Stub 的电气长度应小于驱动器上升时间的十分之一。THVD1454 的压摆率控制功能可以使驱动器输出上升或下降时间变慢，从而适当增加 Stub 长度。
• 总线加载：RS - 485 标准规定，合规的驱动器必须能够驱动 32 单位负载（UL）。由于 THVD1454 由 1/8 UL 收发器组成，因此最多可以将 256 个收发器连接到总线上。
• 接收器故障保护：THVD1454 的差分接收器具有故障保护功能，在总线出现开路、短路或空闲等异常状态时，接收器输出会保持高电平，确保输出状态的确定性。
• 瞬态保护：虽然 THVD1454 本身具备一定的 ESD 保护能力，但在工业环境中，还可能会遇到更长持续时间的瞬态干扰，如浪涌瞬变。因此，在设计时，可能需要添加外部瞬态保护设备，如 TVS 二极管、MOV 等。

4.3 电源与布局建议

• 电源：为了确保在所有数据速率和电源电压下可靠运行，$V_{CC}$ 电源应使用一个 1μF 的陶瓷电容进行去耦，且该电容应尽可能靠近电源引脚。
• 布局：在 PCB 设计时，应采用高频布局技术，将保护电路靠近总线连接器，使用 $V{CC}$ 和接地平面提供低电感，合理设计保护组件的方向，避免瞬态电流偏离信号路径。同时，应在 $V{CC}$ 引脚附近使用至少 1μF 的去耦电容，并使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉电阻来限制逻辑线路中的噪声电流。

五、总结

THVD1454 作为一款功能强大、灵活的半双工 RS - 485 收发器，凭借其可配置的数据速率、集成的端接电阻、出色的保护特性和低功耗设计，为工业应用中的 RS - 485 通信提供了优秀的解决方案。在实际设计中，工程师们可以根据具体的应用需求，合理配置引脚功能，遵循电源和布局建议，以实现稳定、可靠的通信。大家在使用 THVD1454 过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。