具有±18kV IEC ESD保护功能的THVD14xx 3.3V至5V RS - 485收发器：工业通信的可靠之选

在工业通信领域，RS - 485接口因其长距离传输、多节点通信和抗干扰能力强等优点而被广泛应用。然而，工业环境往往存在着复杂的电磁干扰、静电放电（ESD）和电气快速瞬变（EFT）等问题，这对RS - 485收发器的性能和可靠性提出了极高的要求。今天，我们就来详细介绍一款能够应对恶劣工业环境的RS - 485收发器——THVD14xx系列。

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THVD14xx系列产品概述

THVD14xx是德州仪器（TI）推出的一系列抗噪RS - 485/RS - 422收发器，专为在恶劣的工业环境中运行而设计。该系列器件具有出色的抗干扰能力和电气保护性能，能够有效抵御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，大大简化了系统设计。

主要特性

1. 宽电源电压范围：支持3V至5.5V的单电源供电，能够满足不同工业系统的电源需求。
2. 高ESD和EFT保护：总线引脚具有±30kV HBM、±18kV IEC 61000 - 4 - 2接触放电、±25kV IEC 61000 - 4 - 2气隙放电和±4kV IEC 61000 - 4 - 4快速瞬变脉冲保护能力，确保在恶劣环境下的可靠运行。
3. 扩展共模电压范围：共模电压范围可达±15V，适用于长电缆上的应用，能够有效减少信号传输过程中的干扰。
4. 低EMI和高数据速率：支持500kbps和50Mbps的数据速率，同时具有低电磁干扰（EMI）特性，满足高速、可靠的数据传输需求。
5. 大接收器滞后：用于噪声抑制的大接收器滞后，能够有效提高接收器的抗干扰能力，确保数据的准确接收。
6. 低功耗：待机电源电流小于1µA，运行期间的电流小于3mA，有助于降低系统功耗。
7. 扩展环境温度范围：额定温度范围为 - 40°C至125°C，适用于各种恶劣的工业环境。
8. 多种封装形式：提供小型VSON和VSSOP封装，适用于空间受限的应用，也有SOIC封装可实现快插兼容性。

器件型号对比

器件型号	封装	封装尺寸(标称值)	双工模式	使能引脚	信号速率	节点数
THVD1410	VSSOP (8)、SOIC (8)	3.00mm × 3.00mm、4.90mm × 3.91mm	半双工	DE、RE	高达500 kbps	256
THVD1450	VSON (8)、VSSOP (8)、SOIC (8)	3.00mm × 3.00mm	半双工	DE、RE	高达50 Mbps	-
THVD1451	VSON (8)、SOIC (8)	3.00mm × 3.00mm、4.90mm × 3.91mm	全双工	无	-	-
THVD1452	VSSOP (10)、SOIC (14)	3.00mm × 3.00mm、8.65mm × 3.91mm	全双工	DE、RE	-	-

引脚配置与功能

不同型号的THVD14xx器件引脚配置有所不同，但主要功能引脚包括总线输入/输出引脚（A、B、Y、Z）、数据输入引脚（D）、驱动使能引脚（DE）、接收使能引脚（RE）、电源引脚（VCC）和接地引脚（GND）等。这些引脚的功能和作用如下：

• 总线输入/输出引脚（A、B、Y、Z）：用于连接RS - 485总线，实现数据的发送和接收。
• 数据输入引脚（D）：驱动数据输入，控制驱动输出的逻辑状态。
• 驱动使能引脚（DE）：驱动使能，高电平有效，用于控制驱动输出的开启和关闭。
• 接收使能引脚（RE）：接收使能，低电平有效，用于控制接收器的开启和关闭。
• 电源引脚（VCC）：提供3.3V至5V的电源。
• 接地引脚（GND）：器件接地。

此外，部分封装还设有散热焊盘（Thermal Pad），建议将其连接到GND以实现最佳的散热性能。

电气特性与性能参数

绝对最大额定值

在使用THVD14xx器件时，需要注意其绝对最大额定值，以避免器件损坏。主要的绝对最大额定值包括：

• 电源电压（VCC）： - 0.5V至7V
• 总线电压： - 18V至18V
• 输入电压： - 0.3V至5.7V
• 接收器输出电流（IO）： - 24mA至24mA
• 存储温度范围： - 65°C至150°C

ESD和EFT保护等级

THVD14xx器件具有出色的ESD和EFT保护性能，具体保护等级如下：	测试标准	测试类型	引脚范围	保护等级
ANSI/ESDA/JEDEC JS - 001（HBM）	人体模型	总线引脚和GND	±30 kV
		其他引脚	±8 kV
JEDEC JESD22 - C101（CDM）	带电设备模型	所有引脚	±1.5 kV
JEDEC JESD22 - A115 - A（MM）	机器模型	所有引脚	±200 V
IEC 61000 - 4 - 2	接触放电	总线引脚和GND	±18 kV
	气隙放电	总线引脚和GND	±25 kV
IEC 61000 - 4 - 4	电气快速瞬变	总线引脚和GND	±4 kV

推荐工作条件

为了确保器件的正常运行，建议在以下工作条件下使用THVD14xx器件：

• 电源电压（VCC）：3V至5.5V
• 输入电压（VI）： - 15V至15V
• 高电平输入电压（VIH）：2V至VCC
• 低电平输入电压（VIL）：0V至0.8V
• 差分输入电压（VID）： - 15V至15V
• 输出电流（IO）： - 60mA至60mA（驱动）， - 8mA至8mA（接收器）
• 差分负载电阻（RL）：54Ω
• 信号速率：THVD1410为500 kbps，THVD1450、THVD1451和THVD1452为50 Mbps
• 工作环境温度（TA）： - 40°C至125°C
• 结温（TJ）： - 40°C至150°C

热特性

热特性是衡量器件性能的重要指标之一，THVD14xx器件的热特性参数如下：	热参数	单位	THVD1410（D - SOIC）	THVD1450（D - SOIC）	THVD1450（DGK - VSSOP）	THVD1452（DGS - VSSOP）	THVD1450（DRB - VSON）
结到环境的热阻（RθJA）	°C/W	114.3	86.4	155.2	155.6	48.6
结到外壳（顶部）的热阻（RθJC(top)）	°C/W	56.7	43.7	47.2	49.3	49.1
结到电路板的热阻（RθJB）	°C/W	57.7	42.5	76.1	77.1	21.1
结到顶部的表征参数（ΨJT）	°C/W	12.8	10.2	3.9	4.5	0.8
结到电路板的表征参数（ΨJB）	°C/W	57	42.2	74.8	75.7	21.1
结到外壳（底部）的热阻（RθJC(bot)）	°C/W	N/A	N/A	N/A	N/A	2.7

功耗

THVD14xx器件的功耗与负载条件和工作模式有关，在不同负载和工作条件下的功耗如下：

• THVD1410：
  • 未端接（RL = 300Ω，CL = 50pF）：360mW
  • RS - 422负载（RL = 100Ω，CL = 50pF）：370mW
  • RS - 485负载（RL = 54Ω，CL = 50pF）：410mW
• THVD145x器件：
  • 未端接（RL = 300Ω，CL = 50pF）：360mW
  • RS - 422负载（RL = 100Ω，CL = 50pF）：320mW
  • RS - 485负载（RL = 54Ω，CL = 50pF）：330mW

典型特性曲线

文档中还给出了一系列典型特性曲线，包括驱动输出电压与输出电流、接收器输出与输入、驱动输出电流与电源电压、驱动上升/下降时间与温度、驱动传播延迟与温度以及电源电流与信号速率等关系曲线。这些曲线可以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，为系统设计提供参考。

功能模式与工作原理

THVD1410和THVD1450的功能模式

• 驱动模式：当驱动使能引脚（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。D为高电平时，A为高，B为低；D为低电平时，A为低，B为高。当DE为低电平时，输出为高阻态。
• 接收模式：当接收使能引脚（RE）为低电平时，接收器启用。当差分输入电压VID高于正输入阈值VTH + 时，接收器输出R为高；当VID低于负输入阈值VTH - 时，R为低。当RE为高电平时，接收器输出为高阻态。

THVD1451的功能模式

THVD1451的驱动和接收器始终处于启用状态，差分输出Y和Z跟随数据输入D的逻辑状态。D为高电平时，Y为高，Z为低；D为低电平时，Y为低，Z为高。接收器的工作原理与THVD1410和THVD1450类似。

THVD1452的功能模式

• 驱动模式：与THVD1410和THVD1450类似，当驱动使能引脚（DE）为高电平时，差分输出Y和Z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。
• 接收模式：与THVD1410和THVD1450相同，当接收使能引脚（RE）为低电平时，接收器启用；当RE为高电平时，接收器输出为高阻态。

应用与设计要点

应用领域

THVD14xx系列收发器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、电网基础设施、楼宇自动化、HVAC系统、视频监控、过程分析和无线基础设施等。这些应用通常需要长距离、可靠的数据传输，以及对电磁干扰和静电放电的高耐受性，THVD14xx器件正好满足了这些需求。

典型应用电路

一个典型的RS - 485网络由多个收发器并联连接到总线电缆组成。为了消除线路反射，每个电缆末端需要使用一个终端电阻RT，其值应与电缆的特性阻抗Z0匹配。这种方法称为并联终端，通常可以在较长的电缆长度上实现更高的数据速率。

设计要点

1. 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；反之亦然。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。
2. Stub长度：连接节点到总线时，收发器输入与电缆主干之间的距离（即Stub长度）应尽可能短。Stub过长会引入不同相位的反射，影响信号质量。一般来说，Stub的电气长度（往返延迟）应小于驱动器上升时间的十分之一。
3. 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），1个单位负载代表约12kΩ的负载阻抗。由于THVD14xx系列器件为1/8 UL收发器，因此最多可以将256个接收器连接到总线上。
4. 接收器故障保护：THVD14xx系列器件的差分接收器具有故障保护功能，能够在总线开路、短路或空闲等无效状态下输出故障安全逻辑高电平，确保接收器输出不会出现不确定状态。
5. 瞬态保护：尽管THVD14xx器件本身具有一定的ESD和EFT保护能力，但在工业环境中，仍然可能会遇到更严重的瞬态干扰，如浪涌瞬变。因此，建议在设计中使用外部瞬态保护设备，如瞬态电压抑制器（TVS）、金属氧化物压敏电阻（MOV）和瞬态阻断单元（TBU）等。

电源与布局建议

电源建议

为了确保在所有数据速率和电源电压下的可靠运行，每个电源都应使用一个100nF的陶瓷电容进行去耦，该电容应尽可能靠近电源引脚。这有助于减少开关模式电源输出上的电源电压纹波，并补偿PCB电源平面的电阻和电感。

布局建议

在PCB设计中，应采用高频布局技术，以保护总线节点免受工业环境中可能出现的浪涌瞬变的影响。具体建议如下：

1. 将保护电路靠近总线连接器放置，以防止噪声瞬变进入电路板。
2. 使用VCC和接地平面提供低电感路径，注意高频电流倾向于遵循最小阻抗路径而不是最小电阻路径。
3. 将保护组件设计在信号路径方向上，避免瞬态电流从信号路径转向保护设备。
4. 在电路板上的收发器、UART和/或控制器IC的VCC引脚附近尽可能靠近地应用100nF至220nF的去耦电容。
5. 对于去耦电容和保护设备的VCC和接地连接，使用至少两个过孔以最小化有效过孔电感。
6. 使用1kΩ至10kΩ的上拉和下拉电阻来限制使能线路在瞬态事件中的噪声电流。
7. 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总线线路中插入脉冲保护电阻，以限制进入收发器的残余钳位电流并防止其闩锁。
8. 对于高达1kV的浪涌瞬变，纯TVS保护可能足够；但对于更高的瞬变，需要使用MOV将瞬变降低到几百伏的钳位电压，并使用TBU将瞬态电流限制在小于1mA。

总结

THVD14xx系列3.3V至5V RS - 485收发器以其出色的抗干扰能力、高ESD和EFT保护性能、宽电源电压范围、低功耗和多种封装形式等优点，成为工业通信领域的理想选择。在设计使用该系列器件时，工程师需要根据具体应用需求，合理选择器件型号，注意引脚配置和功能，关注电气特性和性能参数，遵循应用和设计要点，以及电源和布局建议，以确保系统的可靠性和稳定性。你在实际使用THVD14xx系列收发器时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。