深入剖析SN65HVD147x：3.3-V全双工RS-485收发器的卓越之选

在工业自动化、安防监控、电信等众多领域，可靠的数据传输至关重要。RS - 485标准凭借其长距离、多节点通信能力，成为了许多应用的首选。今天，我们将深入探讨TI公司的SN65HVD147x系列3.3 - V全双工RS - 485收发器，了解其特性、应用及设计要点。

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一、产品概述

SN65HVD147x系列包括SN65HVD1470、SN65HVD1471、SN65HVD1473、SN65HVD1474、SN65HVD1476和SN65HVD1477等型号，具有三个不同的速度等级，分别适用于高达400 kbps、20 Mbps和50 Mbps的数据传输。该系列产品在RS - 485产品组合中提供了最高的ESD保护，支持±16 - kV IEC61000 - 4 - 2接触放电和> ±30 - kV HBM ESD保护，为恶劣环境下的可靠通信提供了保障。

二、产品特性

（一）节点扩展性

提供1/8单位负载选项，总线上最多可连接256个节点，大大增强了系统的扩展性。

（二）ESD及电气保护

• 总线I/O保护能力强，具备> ±30 kV HBM保护、> ±16 kV IEC61000 - 4 - 2接触放电保护和> ±4 kV IEC61000 - 4 - 4快速瞬变脉冲群保护，有效防止静电和电气瞬变对设备的损坏。

  （三）宽温度范围

  工作温度范围为–40°C至125°C，适用于各种工业环境。

（四）噪声抑制

大接收器迟滞（70 mV）设计，能够有效抑制噪声干扰，提高信号的可靠性。

（五）低功耗

• 工作时静态电流<1.1 mA，待机电源电流典型值为10 nA，最大值<5 μA，降低了系统的功耗。

（六）热插拔保护

具备无干扰上电和掉电保护功能，适用于热插拔应用。

（七）逻辑兼容性

5 - V容限逻辑输入，可与3.3 - V或5 - V控制器兼容，方便系统集成。

（八）信号速率选择

不同型号针对不同的信号速率进行了优化，满足多样化的应用需求。

三、应用领域

（一）工业自动化

用于编码器和解码器，实现精确的数据传输和控制。

（二）楼宇自动化

在安防监控网络中，确保数据的可靠传输，保障系统的安全运行。

（三）电信领域

为通信设备提供稳定的数据传输通道。

四、产品详细描述

（一）功能框图

该系列产品由差分驱动器和差分接收器组成，通过单个3.3 - V电源供电。每个驱动器和接收器都有独立的输入和输出引脚，实现全双工总线通信。SN65HVD1471、SN65HVD1474和SN65HVD1477无需外部使能引脚，始终处于启用状态；而SN65HVD1470、SN65HVD1473和SN65HVD1476具有高电平有效驱动器使能和低电平有效接收器使能引脚，通过禁用驱动器和接收器可实现低至<5 μA的待机电流。

（二）特性描述

• ESD保护：内部ESD保护电路可根据IEC61000 - 4 - 2标准提供高达±16 kV的静电放电保护，根据IEC61000 - 4 - 4标准提供高达±4 kV的电气快速瞬变保护。
• 接收器偏置和迟滞：该系列产品为接收器输入阈值提供内部偏置，并结合大输入阈值迟滞。在正输入阈值$V{IT+} = - 20 mV$和输入迟滞$V{hys} = 40 mV$的情况下，即使在存在120 mVPP差分噪声的总线空闲或总线短路条件下，接收器输出仍保持逻辑高电平，无需外部故障安全偏置电阻。
• 宽温度范围：设备在–40°C至125°C的宽温度范围内均可正常工作。

（三）设备功能模式

1. 驱动器功能

对于SN65HVD1470、SN65HVD1473和SN65HVD1476，当驱动器使能引脚DE为逻辑高电平时，差分输出Y和Z跟随数据输入D的逻辑状态。当D为高电平时，Y为高电平，Z为低电平；当D为低电平时，输出状态反转。当DE为低电平时，两个输出均为高阻态。

2. 接收器功能

当接收器使能引脚$overline{RE}$为逻辑低电平时，接收器启用。当差分输入电压$V{ID} = V{(A)} - V{(B)}$为正且高于正输入阈值$V{IT+}$时，接收器输出R为高电平；当$V{ID}$为负且低于负输入阈值$V{IT -}$时，R为低电平。当$overline{RE}$为逻辑高电平或悬空时，接收器输出为高阻态。

五、应用与设计要点

（一）应用信息

SN65HVD147x系列全双工RS - 485收发器常用于异步数据传输。全双工实现需要两对信号线（四根线），允许每个节点在一对信号线上发送数据的同时，在另一对信号线上接收数据。为消除线路反射，每个电缆末端应使用一个终端电阻$R{(T)}$进行端接，其值应与电缆的特性阻抗$Z{0}$匹配。

（二）典型应用

在全双工RS - 485网络中，多个收发器并行连接到两条总线电缆。在一对信号线上，主驱动器向多个从接收器发送数据；在另一对信号线上，多个从驱动器向主接收器发送数据。为避免总线冲突，从驱动器必须间歇性地启用和禁用，确保任何时候只有一个驱动器处于启用状态。

（三）设计要求

1. 数据速率和总线长度

数据速率与电缆长度成反比，即数据速率越高，电缆长度越短；反之亦然。大多数RS - 485系统的数据速率在10 kbps至100 kbps之间，但某些应用需要在4000 ft及更长距离上实现高达250 kbps的数据速率。

2. 分支长度

连接节点到总线时，收发器输入与电缆主干之间的距离（即分支）应尽可能短。分支过长会引入反射，一般来说，分支的电气长度（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，合规驱动器必须能够驱动32个单位负载（UL），每个单位负载的负载阻抗约为12 kΩ。由于SN65HVD147x系列为1/8 UL收发器，因此总线上最多可连接256个接收器。

4. 接收器故障安全

该系列产品的差分接收器对无效总线状态具有故障安全功能，如开路、短路和空闲总线条件。通过偏移接收器阈值，确保输入不确定范围不包括零伏差分，从而保证接收器输出在故障情况下为逻辑高电平。

5. 瞬态保护

总线引脚具备片上IEC ESD保护，可有效防止±30 - kV HBM和±16 - kV IEC 61000 - 4 - 2接触放电。对于更长持续时间的瞬变，如电快速瞬变（EFT）和浪涌瞬变，建议使用外部瞬态保护设备。

（四）详细设计步骤

为保护总线节点免受高能瞬变的影响，需使用外部瞬态保护设备。如针对16 - kV ESD、4 - kV EFT和1 - kV浪涌瞬变的保护电路，可使用10 - Ω脉冲防护厚膜电阻和双向400 - W瞬态抑制器等元件。

六、电源和布局建议

（一）电源建议

为确保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100 - nF陶瓷电容进行缓冲，并尽可能靠近电源引脚放置。推荐使用TPS76333线性稳压器为3.3 - V电源供电。

（二）布局指南

• 片上IEC - ESD保护适用于实验室和便携式设备，但对于工业环境中的EFT和浪涌瞬变，还需使用外部瞬态保护设备。
• 由于ESD和EFT瞬变的频率带宽较宽（约3 - MHz至3 - GHz），PCB设计时应采用高频布局技术。
• 保护电路应靠近总线连接器放置，使用$V_{CC}$和接地平面提供低电感路径，将保护组件设计在信号路径上，避免瞬态电流偏离信号路径。
• 在$V{CC}$引脚附近使用100 - nF至220 - nF的旁路电容，$V{CC}$和接地连接使用至少两个过孔，以减小过孔电感。
• 对于使能线，使用1 - kΩ至10 - kΩ的上拉和下拉电阻，以限制瞬态事件中的噪声电流。
• 若TVS钳位电压高于收发器总线引脚的指定最大电压，应在A和B总线线路中插入脉冲防护电阻，以限制残余钳位电流，防止收发器闩锁。

七、总结

SN65HVD147x系列3.3 - V全双工RS - 485收发器凭借其高ESD保护、低功耗、宽温度范围和多速率选项等特性，为工业自动化、安防监控和电信等领域的可靠数据传输提供了优秀的解决方案。在设计应用时，我们需要充分考虑数据速率、总线长度、分支长度、总线负载、接收器故障安全和瞬态保护等因素，并遵循电源和布局建议，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用RS - 485收发器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。