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

在工业应用的通信领域，RS - 485 收发器扮演着至关重要的角色。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）推出的两款强大半双工 RS - 485 收发器：THVD1400 和 THVD1420。

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一、产品概述

THVD1400 和 THVD1420 专为工业应用设计，由 3 至 5.5V 单电源供电，适用于长线缆上的多点应用。它们的总线引脚具备宽共模电压范围和低输入泄漏，并且可耐受高级别的 IEC 接触放电 ESD 事件，无需额外的系统级保护元件。此外，这两款器件提供业界通用 8 引脚 SOIC 封装和先进的小型 SOT 封装，额定温度范围为–40°C 至 125°C。

二、产品特性

2.1 电气特性

• 电源电压范围宽：支持 3V 至 5.5V 电源电压，能适应不同的电源环境。
• 数据速率差异适配：THVD1400 数据速率为 500kbps，适合对速率要求不是特别高但稳定性要求较高的应用场景；THVD1420 则高达 12Mbps，可满足高速数据传输的需求。

2.2 保护特性

• 总线 I/O 保护全面
  • ESD 保护方面，总线端子和 GND 的人体放电模型（HBM）高达 ±16kV，所有其他引脚的 HBM 为 ±4kV；IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接触放电为 ±12kV，空气间隙放电为 ±15kV。
  • 电气快速瞬变（EFT）保护为 ±4kV，可有效抵御常见的电气干扰。
  • 具备 ±16V 总线故障保护，确保在总线引脚出现异常电压时，器件仍能正常工作。
• 低功耗优势：低待机电源电流小于 1μA，运行期间静态电流典型值为 1.5mA，有助于降低系统整体功耗。
• 热插拔无干扰：适用于热插拔功能，上电/断电过程中不会对系统产生干扰。

2.3 其他特性

• 小型封装节省空间：提供 8 引脚 SOT 封装选项（2.1mm x 1.2mm），在对空间要求较高的应用中具有很大优势。
• 工业级温度范围：工作温度范围为 - 40°C 至 125°C，能适应恶劣的工业环境。
• 噪声抑制能力强：较大的接收器滞后可有效抑制噪声。
• 失效防护设计：具备开路、短路和空闲总线失效防护功能，保障系统的可靠性。
• 负载能力强：采用 1/8 单位负载设计，多达 256 个总线节点可连接到总线上。

三、产品规格

3.1 绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
VCC（电源电压）	- 0.5	7	V
VL（逻辑引脚输入电压）	- 0.3	5.7	V
VA、VB（A 或 B 输入电压范围）	- 16	16	V
IO（接收器输出电流）	- 24	24	mA
TJ（结温）	-	170	°C
TSTG（存储温度）	- 65	150	°C

超出这些绝对最大额定值运行可能会对器件造成永久损坏，虽然在建议运行条件之外但在绝对最大额定值范围内短暂运行，器件可能不会损坏，但可能无法正常工作，还会影响可靠性和寿命。

3.2 ESD 等级

在 ESD 防护方面，有严格的标准，总线端子和 GND 的 HBM ESD 为 ±16000V，其他引脚为 ±4000V；充电器件模型（CDM）为 ±1500V。IEC 标准下，接触放电为 ±12000V，空气间隙放电为 ±15000V，EFT 为 ±4000V。这充分体现了器件在静电防护方面的强大能力。

3.3 建议运行条件

• 输入电压范围：高电平输入电压（驱动器、驱动器启用和接收器启用输入）为 2 - 5.5V，低电平输入电压为 0 - 0.8V。
• 输出电流限制：驱动器输出电流为 - 60 - 60mA，接收器输出电流为 - 8 - 8mA。
• 差分负载电阻与信令速率匹配：THVD1400 在信令速率为 500kbps 时，差分负载电阻为 54 - 60Ω；THVD1420 在信令速率为 12Mbps 时，需根据具体情况匹配合适的电阻。
• 温度相关参数：结温工作环境温度为 - 40 - 150°C，热关断阈值为 150 - 170°C，结温达到 170°C 时，内部热关断（TSD）电路会禁用驱动器输出。

3.4 热性能信息

不同封装的器件热性能有所差异，如 THVD1400 和 THVD1420 的结至环境热阻、结至外壳（顶部）热阻、结至电路板热阻等参数各不相同。同时，功率耗散也会受到负载类型、信号传输速率、电源电压等因素的影响。例如，在 VCC = 5.5V、TA = 125°C、50% 占空比方波信号下，不同负载情况下的功率耗散不同。

3.5 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相应的范围，如 RL = 100Ω、CL = 50pF 时为 2 - 2.5V；RL = 54Ω、4.5V ≤ Vcc ≤ 5.5V 时可参考图 6 - 2。
• 稳定状态共模输出电压等其他参数：也有明确的规定和测试条件，这些参数对于确保器件的正常工作和信号传输质量至关重要。

3.6 开关特征

THVD1400 和 THVD1420 的开关特征在驱动器和接收器的上升和下降时间、传播延迟、脉冲偏差、禁用和启用时间等方面都有具体的数值范围。例如，THVD1400 驱动器差分输出上升和下降时间典型值为 400ns，THVD1420 则为 15 - 25ns，不同的开关特征决定了它们在不同应用场景中的适用性。

四、应用信息

4.1 典型应用场景

广泛应用于工厂自动化与控制、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、智能电表等领域。在这些应用中，RS - 485 总线包含多个并联到总线电缆的收发器，为消除线路反射，每个电缆末端需用一个端接电阻 RT，其值与电缆的特征阻抗匹配，这种方法称为并行端接，可在更长的电缆长度上实现更高的数据速率。

4.2 设计要求

4.2.1 数据速率和总线长度

数据速率与电缆长度成反比，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。在实际设计中，需要根据具体应用需求合理选择数据速率和电缆长度。

4.2.2 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距离（桩线）应尽可能短。桩线过长会引入反射，影响信号传输质量。通用指南是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，即 (L{(STUB) } leq 0.1 × t{r} × v × c)，其中 (t_{r}) 是驱动器上升时间的 10/90，c 是光速，v 是电缆或布线的信号速度。

4.2.3 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），1 个单元负载表示大约 12kΩ 的负载阻抗。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，大大提高了系统的扩展性。

4.2.4 接收器故障安全

THVD1400 的差分接收器在开路总线、总线短路、空闲总线等情况下会输出失效防护逻辑高电平状态，避免输出未明确的情况。接收器失效防护通过将接收器阈值进行偏移来实现，输入不确定范围不包括零电压差分。要符合 RS - 422 和 RS - 485 标准，接收器输出必须在差分输入 (V_{ID}) 正向大于 200mV 时输出高电平，负向大于 - 200mV 时输出低电平。

4.2.5 瞬态保护

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（浪涌瞬变），需要额外的保护措施。如 EFT 通常由继电器触点回跳或电感负载中断引起，浪涌瞬变通常由雷击或电力系统切换引起，在工业环境中较为常见。为保护总线节点免受高能瞬变的影响，可使用外部瞬变保护装置，如针对 1kV 浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）瞬变，建议使用保护电路，并提供了相应的物料清单。

五、电源与布局建议

5.1 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，且电容位置应尽可能靠近电源引脚。这样做有助于减少开关模式电源输出中出现的电源电压波纹，并且补偿 PCB 电源层的电阻和电感。

5.2 布局指南

在工业环境中，由于可能出现浪涌瞬变，且其频率带宽较宽（大约 3MHz 至 300MHz），因此在 PCB 设计过程中必须应用高频布局技术。具体包括：

• 将保护电路放置在靠近总线连接器的位置，防止噪声瞬变在电路板上传播。
• 使用 (V_{CC}) 和接地平面来提供低电感，因为高频电流会选择阻抗最小的路径，而非电阻最小的路径。
• 将保护元件设计成信号路径的方向，避免将瞬态电流从信号路径强行转移至保护器件。
• 在尽可能靠近电路板上收发器、UART 和/或控制器 IC 的 (V_{CC}) 引脚的位置施加 100nF 至 220nF 去耦电容器。
• 当旁路电容和保护器件连接 (V_{CC}) 和接地时，应至少使用两个过孔以更大限度减少走线和降低过孔电感。
• 使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉电阻用于使能线路，以在瞬态事件期间限制这些线路中的噪声电流。
• 如果 TVS 钳位电压高于收发器总线引脚的指定最大电压，则在 A 和 B 总线线路中插入防脉冲电阻器，限制进入收发器的剩余钳位电流并防止其锁存。
• 对于更高的瞬态，需要金属氧化物压敏电阻（MOV）将瞬态降低到几百伏的钳位电压，以及瞬态阻断单元（TBU）将瞬态电流限制在小于 1mA。

TI 的 THVD1400 和 THVD1420 3.3V 至 5V RS - 485 收发器凭借其丰富的特性、全面的保护功能和良好的性能，在工业通信领域具有很大的应用潜力。但在实际设计中，我们需要根据具体的应用场景和需求，合理考虑各项参数和设计要求，确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用这两款器件的过程中，是否也遇到过一些独特的挑战呢？欢迎在评论区分享交流。