具有 IEC ESD 保护功能的 THVD24x0 ±70V 故障保护 3.3V 至 5V RS - 485 收发器：设计与应用解析

一、引言

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，被广泛应用于各种自动化系统中。然而，恶劣的工业环境对 RS - 485 收发器的性能和可靠性提出了极高的要求。德州仪器（TI）的 THVD2410 和 THVD2450 收发器，以其出色的故障保护和 ESD 防护能力，为工业通信提供了可靠的解决方案。本文将深入探讨这两款收发器的特性、应用及设计要点。

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二、产品特性亮点

2.1 标准兼容性与功能安全

THVD2410 和 THVD2450 符合或超过 TIA/EIA - 485A 和 TIA/EIA - 422B 标准要求，并且提供功能安全相关文档，有助于进行功能安全系统设计。这意味着在对安全性要求较高的工业应用中，工程师可以更加放心地使用这两款收发器。

2.2 宽电源电压与高性能输出

3V 至 5.5V 的电源电压范围，使得这两款收发器能够适应不同的电源环境。在 5V 电源下，差分输出超过 2.1V，与 PROFIBUS 兼容，为数据传输提供了稳定的信号。

2.3 强大的总线保护能力

• 故障保护：具备 ±70V 直流总线故障保护，能有效应对工业环境中可能出现的过压情况，避免器件损坏。
• ESD 防护：提供 ±16kV HBM ESD、±12kV IEC 61000 - 4 - 2 接触放电和空气间隙放电以及 ±4kV IEC 61000 - 4 - 4 快速瞬变脉冲保护，大大增强了器件的抗干扰能力。

2.4 速度等级与低功耗设计

提供两种速度等级的半双工器件，THVD2410 为 500kbps，THVD2450 为 50Mbps，可满足不同应用场景对数据传输速率的要求。同时，低功耗特性显著，低待机电源电流小于 1µA，运行期间电流小于 5.6mA，有助于降低系统功耗。

2.5 其他特性

• 宽温度范围：工作环境温度范围为 - 40°C 至 125°C，适用于各种恶劣的工业环境。
• 高抗噪能力：扩展 ±25V 输入共模范围和增强型 250mV 接收器迟滞，确保在长电缆敷设和大接地环路电压情况下的数据通信稳定可靠。
• 失效防护：具备开路、短路和空闲总线失效防护功能，以及热关断保护，提高了系统的可靠性。
• 小封装设计：采用小型 VSON 和 VSSOP 封装，节省布板空间，也可选择 SOIC 封装实现快插兼容性。

三、应用领域广泛

THVD2410 和 THVD2450 适用于多种工业应用场景，包括电机驱动器、工厂自动化和控制、HVAC 系统、楼宇自动化、电网基础设施、电表、过程分析以及视频监控等。这些应用场景通常对通信的可靠性和稳定性要求较高，而这两款收发器的特性正好满足了这些需求。

四、器件详细说明

4.1 基本工作原理

THVD2410 和 THVD2450 是 ±70V 故障保护、半双工、RS - 422/RS - 485 收发器，由 3V 至 5.5V 的单电源供电。在所有运行模式下，均可保护总线接口引脚不受过压条件破坏。

4.2 引脚配置与功能

两款器件的引脚配置和功能基本相同，主要引脚包括总线输入/输出端口 A 和 B、驱动器数据输入 D、驱动器使能 DE、接收器使能 RE、接收数据输出 R、电源 VCC 和接地 GND 等。不同引脚的组合实现了驱动器和接收器的不同工作模式。

4.3 规格参数

• 绝对最大额定值：规定了器件在不同参数下的最大承受范围，如电源电压 - 0.5V 至 7V、总线电压 - 70V 至 70V 等。超出这些范围可能会对器件造成永久损坏。
• ESD 等级：包括人体放电模型（HBM）、充电器件模型（CDM）以及 IEC 标准下的 ESD 防护等级，确保器件在静电环境下的可靠性。
• 建议运行条件：明确了器件正常运行时的各项参数范围，如电源电压、输入电压、输出电流、信令速率、运行环境温度等。

4.4 开关特性

不同速度等级的器件在开关特性上有所差异，如 THVD2410 和 THVD2450 的驱动器和接收器在上升/下降时间、传播延迟、脉冲延迟、禁用时间和启用时间等方面的参数不同，工程师在设计时需要根据具体应用选择合适的器件。

4.5 典型特性曲线

文档中给出了驱动器输出电压与电流、差分输出电压与电流、输出电流与电源电压、传播延迟与温度等之间的关系曲线，这些曲线有助于工程师更好地了解器件的性能特点，进行合理的电路设计。

五、应用设计要点

5.1 数据速率与总线长度

数据速率与电缆长度成反比关系，在设计时需要根据实际应用需求选择合适的数据速率和电缆长度。对于 THVD2450 高达 50Mbps 的速率，需要确保互连足够短，以保证数据质量。

5.2 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，以减少反射对信号的影响。

5.3 总线负载

RS - 485 标准规定驱动器需驱动 32 个单元负载，而 THVD24x0 器件包含 1/8 UL 收发器，可将多达 256 个接收器连接到总线，大大增加了总线的节点数量。

5.4 瞬态保护

虽然 THVD24x0 收发器具有片上 ESD 保护，但在工业环境中，还需要考虑针对浪涌瞬变和 EFT 的保护。可以使用 TVS 二极管等保护器件，并合理设计电路布局，以提高系统的抗干扰能力。

5.5 电源去耦

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。

5.6 PCB 布局

• 保护电路位置：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。
• 平面设计：使用 (V_{CC}) 和接地平面提供低电感，高频电流会选择阻抗最小的路径。
• 元件设计：保护元件应设计成信号路径的方向，避免瞬态电流转移。
• 去耦电容：在靠近收发器、UART 和/或控制器 IC 的 (V_{CC}) 引脚位置应用 100nF 至 220nF 去耦电容器，并至少使用两个过孔减小实际过孔电感。
• 上拉和下拉电阻：使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉电阻用于使能线路，限制瞬态事件期间的噪声电流。
• 防脉冲电阻器：如果 TVS 钳位电压高于收发器总线引脚的指定最大电压，在 A 和 B 总线线路中插入防脉冲电阻器。

六、总结

THVD2410 和 THVD2450 收发器以其丰富的特性和出色的性能，为工业 RS - 485 通信提供了可靠的解决方案。在设计过程中，工程师需要充分考虑数据速率、总线长度、桩线长度、总线负载、瞬态保护、电源去耦和 PCB 布局等因素，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为电子工程师在使用这两款收发器进行设计时提供有益的参考。

大家在使用 THVD24x0 收发器进行设计时，是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享交流。