探索 THVD24xxV-EP：高性能 RS-485 收發(fā)器的卓越之選

在電子工程領(lǐng)域，RS - 485 收發(fā)器作為實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵組件，一直備受關(guān)注。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的 THVD24xxV - EP 系列，包括 THVD2410V - EP、THVD2450V - EP 和 THVD2452V - EP 這三款具有 1.8V VIO 功能的增強型 3V 至 5.5V RS - 485 收發(fā)器，揭開它們的特性、應(yīng)用及設(shè)計要點。

文件下載：thvd2450v-ep.pdf

特性亮點：卓越性能，保駕護航

增強型產(chǎn)品，適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境

THVD24xxV - EP 系列屬于增強型產(chǎn)品，能在軍用級溫度范圍（–55°C 至 125°C）穩(wěn)定工作。而且，它們由一個晶圓制造廠和一個封裝測試廠生產(chǎn)，采用金鍵合線和 NiPdAu 鉛涂層，具備晶圓批次可追溯性，有效延長了產(chǎn)品生命周期。這使得該系列產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下也能保持出色的性能和可靠性。

寬電源電壓范圍與高兼容性

該系列產(chǎn)品支持 3V 至 5.5V 的電源電壓，在 5V 電源下差分輸出超過 2.1V，與 PROFIBUS 兼容。同時，數(shù)據(jù)和使能信號電源范圍為 1.65V 至 5.5V，為不同的應(yīng)用場景提供了更多的電源選擇。

靈活的數(shù)據(jù)速率選擇

通過 SLR 引腳，用戶可以根據(jù)實際需求選擇不同的數(shù)據(jù)速率。THVD2410V - EP 可在 250kbps 和 1Mbps 之間切換，而 THVD2450V - EP、THVD2452V - EP 則能在 20Mbps 和 50Mbps 之間靈活調(diào)整，滿足多樣化的通信速率要求。

強大的總線 I/O 保護

在總線保護方面，THVD24xxV - EP 表現(xiàn)出色。它能承受 ±70V 直流總線故障，具備 ±16kV HBM ESD 保護。其中，THVD2410V - EP、THVD2450V - EP 支持 ±15kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電和氣隙放電，THVD2452V - EP 支持 ±8kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電和氣隙放電，以及 ±4kV IEC 61000 - 4 - 4 快速瞬態(tài)突發(fā)保護，有效防止靜電和瞬態(tài)干擾對器件的損害。

低功耗與高抗噪能力

該系列產(chǎn)品具有低功耗特性，低待機電源電流小于 1μA，運行期間電流小于 5.3mA。同時，增強型接收器遲滯設(shè)計提供了高噪聲抑制能力，確保在復(fù)雜電磁環(huán)境下也能實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。此外，它還具備適用于熱插拔功能的無干擾上電/斷電、開路、短路和空閑總線失效防護以及熱關(guān)斷等功能，進一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

多種封裝選擇

半雙工器件采用小型 3mm x 3mm VSON 封裝，節(jié)省布板空間，適用于空間受限型應(yīng)用；全雙工器件則采用標(biāo)準(zhǔn) 14 - SOIC 封裝，方便插接。

應(yīng)用領(lǐng)域：廣泛覆蓋，滿足多樣需求

THVD24xxV - EP 系列憑借其卓越的性能，在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。航電設(shè)備、智能彈藥、傳感器、成像和雷達(dá)以及加固型通信等領(lǐng)域，都能看到它們的身影。在這些對數(shù)據(jù)通信可靠性和穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用場景中，THVD24xxV - EP 系列能夠發(fā)揮出其最大的優(yōu)勢，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

詳細(xì)說明：深入了解，精準(zhǔn)設(shè)計

器件概述

THVD2410V - EP 和 THVD2450V - EP 是半雙工 RS - 485 收發(fā)器，適用于速率高達(dá) 1Mbps 和 50Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸；THVD2452V - EP 是全雙工收發(fā)器，可通過 SLR 引腳配置為 20Mbps 和 50Mbps 兩種速度。這些器件均具有高電平有效的驅(qū)動器使能引腳和低電平有效的接收器使能引腳，禁用驅(qū)動器和接收器后可獲得低于 1μA 的關(guān)斷電流，有效降低功耗。

功能特性詳解

故障保護

與標(biāo)準(zhǔn) RS - 485 器件相比，THVD24xxV - EP 加強了總線故障保護，無需任何外部元件即可在高達(dá) ±70V 的電壓下受到保護，簡化了系統(tǒng)設(shè)計并降低了整體系統(tǒng)成本。

集成 ESD 和 EFT 保護

內(nèi)部 ESD 保護電路可根據(jù)高達(dá) ±12kV 的 IEC 61000 - 4 - 2 標(biāo)準(zhǔn)，保護收發(fā)器免受靜電放電（ESD）的影響，并根據(jù)高達(dá) ±4kV 的 IEC 61000 - 4 - 4 標(biāo)準(zhǔn)保護收發(fā)器免受電氣快速瞬變（EFT）的影響，確保系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠性。

驅(qū)動器保護

驅(qū)動器可防止 - 70V 至 +70V 范圍內(nèi)的任何直流電源短路，內(nèi)部將短路電流限制為 ±250mA，符合 TIA/EIA - 485A 標(biāo)準(zhǔn)。此外，如果輸出故障電壓超過 |±25V|，折返式限流電路可進一步將驅(qū)動器短路電流降至 ±5mA 以下。同時，所有器件都具有熱關(guān)斷保護功能，當(dāng)結(jié)溫超過閾值時，會禁用驅(qū)動器和接收器，保護器件安全。

接收器性能

差分接收器具有完全對稱的閾值，即使在輸入振幅很小的情況下也能保持信號的占空比。250mV（典型值）的遲滯可提供抗噪能力，提高了接收器的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)輸入同時開路或短路時，接收器失效防護功能可確保邏輯高電平，避免數(shù)據(jù)誤判。

低功耗關(guān)斷模式

如果驅(qū)動 DE 低電平和 RE 高電平的時間多于 500ns，器件進入關(guān)斷模式；如果 DE 變?yōu)楦唠娖交?RE 變?yōu)榈碗娖剑嫈?shù)器復(fù)位。如果使能引腳處于禁用狀態(tài)的時間少于 50ns，器件不會進入關(guān)斷模式，有效防止器件因 DE 和 RE 之間的偏差而意外進入關(guān)斷模式。

器件功能模式

驅(qū)動器功能

當(dāng)驅(qū)動器使能引腳 DE 為邏輯高電平時，差分輸出 A 和 B 跟隨數(shù)據(jù)輸入 D 的邏輯狀態(tài)；當(dāng) DE 為低電平時，兩個輸出都變?yōu)楦咦钁B(tài)。DE 引腳有一個內(nèi)部下拉電阻接地，當(dāng)處于開路狀態(tài)時，驅(qū)動器默認(rèn)禁用（高阻抗）；D 引腳有一個內(nèi)部上拉電阻接 $V_{CC}$，當(dāng)啟用驅(qū)動器且處于開路狀態(tài)時，輸出 A 變?yōu)楦唠娖?，B 變?yōu)榈碗娖健?/p>

接收器功能

當(dāng)接收器使能引腳 RE 為邏輯低電平時，接收器被啟用。當(dāng)通過 $V{ID}=V{A}-V{B}$ 公式計算的差分輸入電壓高于正輸入閾值 $V{TH}$ 時，接收器輸出 R 變?yōu)楦唠娖剑划?dāng) $V{ID}$ 低于負(fù)輸入閾值 $V{TH}$ 時，接收器輸出 R 變?yōu)榈碗娖健．?dāng) RE 為邏輯高電平或處于開路時，接收器輸出為高阻抗。當(dāng)收發(fā)器與總線斷開（開路）、總線與其他線路短接（短路）或未對總線進行有源驅(qū)動（空閑總線）時，接收器輸入的內(nèi)部偏置會導(dǎo)致輸出失效防護高電平。

壓擺率選擇

SLR 引腳具有集成下拉功能，器件保持在高速模式，直到 SLR 被拉至高電平，這會限制壓擺率并將器件置于低速模式。THVD2410V - EP 在 SLR 為低電平或懸空時，發(fā)送器（TX）和接收器（RX）最大速度均為 1Mbps；SLR 為高電平時，TX 和 RX 最大速度都限制為 250kbps。THVD2450V - EP、THVD2452V - EP 在 SLR 為低電平或懸空時，發(fā)送器（TX）和接收器（RX）最大速度均為 50Mbps；SLR 為高電平時，TX 和 RX 最大速度都限制為 20Mbps。

欠壓場景行為

在欠壓場景中，當(dāng) $V{IO}$ 和 $V{CC}$ 均大于上升欠壓閾值時，驅(qū)動器輸出由 DE 和 D 輸入決定，接收器輸出由 RE 和 A - B 決定；當(dāng) $V{CC}$ 小于下降欠壓閾值且 $V{IO}$ 大于上升欠壓閾值，或 $V{CC}$ 大于上升欠壓閾值且 $V{IO}$ 小于下降欠壓閾值，或 $V{CC}$ 和 $V{IO}$ 均小于下降欠壓閾值時，驅(qū)動器和接收器輸出均為高阻抗。

應(yīng)用設(shè)計：合理規(guī)劃，確保成功

設(shè)計要求

數(shù)據(jù)速率和總線長度

數(shù)據(jù)速率與電纜長度成反比關(guān)系，大多數(shù) RS - 485 系統(tǒng)使用介于 10kbps 和 100kbps 之間的數(shù)據(jù)速率，在 4000 英尺或更遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)，某些應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)速率高達(dá) 250kbps。通過允許高達(dá) 5% 或 10% 的小信號抖動，可以實現(xiàn)更長的距離。在互連足夠短（或在信號頻率下具有適當(dāng)?shù)牡退p）、不會降低數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下，甚至可以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率（如 THVD2450 速率為 50Mbps）。

短線長度

將節(jié)點連接到總線時，收發(fā)器輸入和電纜干線之間的距離（樁線）應(yīng)盡可能短。樁線是一段無端接的總線線路，隨著長度的增加，樁線會引入相位不同的反射。作為通用指南，樁線的電氣長度或往返延遲應(yīng)小于驅(qū)動器上升時間的十分之一。

總線負(fù)載

RS - 485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，符合標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動 32 個單元負(fù)載（UL），其中 1 個單元負(fù)載表示大約 12kΩ 的負(fù)載阻抗。由于 THVD24xxV - EP 器件包含 1/8 UL 收發(fā)器，因此可將多達(dá) 256 個接收器連接到總線，大大增加了系統(tǒng)的可擴展性。

瞬態(tài)保護

THVD24xxV - EP 收發(fā)器的總線引腳包括針對 ±30kV HBM 和 ±12kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電的片上 ESD 保護。IEC ESD 保護的片上實現(xiàn)可顯著提高設(shè)備的穩(wěn)健性。設(shè)計人員可以選擇針對持續(xù)時間較長的瞬變（通常稱為浪涌瞬變）實施保護，以應(yīng)對工業(yè)環(huán)境中常見的 EFT 和浪涌瞬變。

詳細(xì)設(shè)計過程

為了抵御 1kV 浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）瞬變，建議使用保護電路。例如，可采用 SMAJ30CA TVS 二極管，其額定工作電壓高達(dá) 30V，可確保在直接 RS - 485 總線與 24V 直流工業(yè)電源軌短路時，保護二極管不會導(dǎo)通。

電源相關(guān)建議

為確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運行，應(yīng)使用 100nF 陶瓷電容對各個電源進行去耦，該電容的位置應(yīng)盡可能靠近電源引腳。這樣有助于減少開關(guān)模式電源輸出中出現(xiàn)的電源電壓波紋，并且有助于補償 PCB 電源層的電阻和電感。

布局指南

在 PCB 設(shè)計過程中，應(yīng)應(yīng)用高頻布局技術(shù)。將保護電路放置在靠近總線連接器的位置，使用 $V{CC}$ 和接地平面來提供低電感，將保護元件設(shè)計成信號路徑的方向。在盡可能靠近電路板上收發(fā)器、UART 和/或控制器 IC 的 $V{CCI}$ 和 $V_{IO}$ 引腳的位置應(yīng)用 100nF 至 220nF 的去耦電容器，在電源引腳和保護器件的去耦電容器接地連接時，應(yīng)至少使用兩個過孔以最大限度減小實際過孔電感。使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉電阻用于使能線路，從而在瞬態(tài)事件期間限制這些線路中的噪聲電流。如果 TVS 鉗位電壓高于收發(fā)器總線引腳的指定最大電壓，則在 A 和 B 總線線路中插入防脈沖電阻器，以限制進入收發(fā)器的剩余鉗位電流并防止其鎖存。

總結(jié)

THVD24xxV - EP 系列 RS - 485 收發(fā)器以其卓越的性能、豐富的功能和靈活的設(shè)計，為電子工程師在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域提供了一個強大的解決方案。無論是在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，還是在對空間和功耗要求較高的應(yīng)用場景中，THVD24xxV - EP 系列都能展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢。作為電子工程師，我們在設(shè)計過程中應(yīng)充分了解其特性和應(yīng)用要點，合理規(guī)劃電路和布局，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。你在使用 RS - 485 收發(fā)器的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。