深入剖析 THVD24xxV：高性能 RS-485 收發(fā)器的卓越之選

在工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域，可靠的數(shù)據(jù)通信至關(guān)重要。RS-485 作為一種廣泛應(yīng)用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，其收發(fā)器的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來(lái)深入了解一下德州儀器（TI）推出的 THVD24xxV 系列 RS-485 收發(fā)器，探索它的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、特性亮點(diǎn)

1. 寬電壓范圍與兼容性

THVD24xxV 系列收發(fā)器支持 3V 至 5.5V 的 RS-485 電源電壓，同時(shí)邏輯信號(hào)接口使用 1.65V 至 5.5V 電源，這種靈活的電源設(shè)計(jì)使得它能夠與各種不同電壓的系統(tǒng)兼容，大大提高了其適用性。而且，它符合或超出 TIA/EIA-485A 和 TIA/EIA-422B 標(biāo)準(zhǔn)要求，差分輸出超過(guò) 2.1V（在 5V 電源下），還與 PROFIBUS 兼容，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供了可靠的通信保障。

2. 靈活的數(shù)據(jù)速率選擇

該系列器件具有壓擺率選擇功能，通過(guò) SLR 引腳可以選擇不同的數(shù)據(jù)速率。例如，THVD2410V、THVD2412V 可以在 250kbps 和 1Mbps 之間切換，而 THVD2450V、THVD2452V 則可以在 20Mbps 和 50Mbps 之間切換。這種靈活性使得工程師可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，選擇最合適的數(shù)據(jù)速率，以平衡通信速度和信號(hào)質(zhì)量。

3. 強(qiáng)大的保護(hù)功能

• 故障保護(hù)：具備 ±70V 的直流總線故障保護(hù)能力，這在工業(yè)環(huán)境中尤為重要。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常常存在各種電氣干擾和故障，如短路、過(guò)壓等，THVD24xxV 能夠有效抵御這些故障，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)需額外的昂貴外部保護(hù)組件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了成本。
• ESD 保護(hù)：集成了 IEC ESD 保護(hù)，半雙工器件可承受 ±15kV 的 IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電和氣隙放電，全雙工器件可承受 ±8kV 的 IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電和氣隙放電，同時(shí)還具備 ±16kV HBM ESD 保護(hù)。此外，總線結(jié)構(gòu)還能保護(hù)器件免受高達(dá) ±4kV 的電氣快速瞬變（EFT）影響，在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中能夠?qū)崿F(xiàn) EFT Criterion A（瞬態(tài)噪聲存在時(shí)數(shù)據(jù)損失最小或無(wú)損失）。
• 過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)：驅(qū)動(dòng)器具備過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)功能，能夠防止 -70V 至 +70V 范圍內(nèi)的直流電源短路。當(dāng)輸出故障電壓超過(guò) |±25V| 時(shí)，折返式限流電路會(huì)將驅(qū)動(dòng)短路電流進(jìn)一步降低至小于 ±5mA，確保器件的安全運(yùn)行。

4. 高抗噪能力

• 寬輸入共模范圍：更寬的 ±25V 輸入共模范圍，使得在更長(zhǎng)的電纜敷設(shè)長(zhǎng)度和存在大接地環(huán)路電壓的情況下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。
• 增強(qiáng)型接收器遲滯：250mV（典型值）的接收器遲滯提供了高噪聲抑制能力，即使在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中，也能準(zhǔn)確接收和識(shí)別信號(hào)。
• 故障安全功能：當(dāng)輸入同時(shí)開(kāi)路、短路或總線空閑時(shí)，接收器失效防護(hù)功能可確保輸出邏輯高電平，保證系統(tǒng)在異常情況下的穩(wěn)定性。

5. 低功耗設(shè)計(jì)

該系列器件具有低功耗特性，待機(jī)電源電流小于 5μA，運(yùn)行期間靜態(tài)電流小于 5.3mA。此外，還具備低功耗關(guān)機(jī)模式，通過(guò)將 DE 引腳置低、RE 引腳置高超過(guò) 500ns，可將器件置于關(guān)機(jī)模式，有效降低系統(tǒng)功耗。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

THVD24xxV 系列收發(fā)器適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括但不限于：

• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：在電機(jī)控制系統(tǒng)中，可靠的數(shù)據(jù)通信對(duì)于實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)控制至關(guān)重要。THVD24xxV 的高性能和高抗干擾能力，能夠確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與控制器之間的穩(wěn)定通信，提高電機(jī)控制的精度和可靠性。
• 工廠自動(dòng)化和控制：工廠自動(dòng)化系統(tǒng)通常包含大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器，需要高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信。THVD24xxV 可以滿足工廠自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性的要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信和協(xié)同工作。
• HVAC 系統(tǒng)：HVAC 系統(tǒng)需要對(duì)溫度、濕度、壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)的運(yùn)行效果。THVD24xxV 的寬電壓范圍和高抗干擾能力，使其能夠在 HVAC 系統(tǒng)中可靠運(yùn)行，確保系統(tǒng)的高效節(jié)能。
• 樓宇自動(dòng)化：樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)涉及到照明、電梯、門(mén)禁等多個(gè)子系統(tǒng)的集成，需要穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制和管理。THVD24xxV 可以為樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)提供可靠的通信解決方案，提高樓宇的智能化水平。
• 電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施：在電網(wǎng)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸對(duì)于電力的監(jiān)測(cè)、控制和調(diào)度至關(guān)重要。THVD24xxV 的高可靠性和抗干擾能力，能夠滿足電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)數(shù)據(jù)通信的嚴(yán)格要求，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
• 電表：電表需要準(zhǔn)確地采集和傳輸電量數(shù)據(jù)，THVD24xxV 的高精度和低功耗特性，使其成為電表通信的理想選擇，能夠確保電量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和遠(yuǎn)程抄表的可靠性。
• 過(guò)程分析：過(guò)程分析設(shè)備需要實(shí)時(shí)采集和處理各種工業(yè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，THVD24xxV 可以為過(guò)程分析設(shè)備提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信接口，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)準(zhǔn)確傳輸，為工業(yè)生產(chǎn)提供有力的支持。
• 視頻監(jiān)控：視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)通信的帶寬和穩(wěn)定性要求較高。THVD24xxV 的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和高抗干擾能力，能夠滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的需求，確保視頻圖像的清晰傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電源設(shè)計(jì)

為了確保器件在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，每個(gè)電源都應(yīng)使用至少 100nF 的陶瓷電容進(jìn)行去耦，并且電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳。這樣可以減少開(kāi)關(guān)電源輸出端的電壓紋波，補(bǔ)償 PCB 電源平面的電阻和電感，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2. 布局設(shè)計(jì)

• 保護(hù)電路布局：在工業(yè)環(huán)境中，為了保護(hù)器件免受浪涌瞬變的影響，通常需要使用外部瞬態(tài)保護(hù)器件。這些保護(hù)電路應(yīng)靠近總線連接器放置，以防止噪聲瞬變?cè)陔娐钒迳蟼鞑?。同時(shí)，應(yīng)將保護(hù)組件設(shè)計(jì)在信號(hào)路徑方向上，避免瞬態(tài)電流偏離信號(hào)路徑到達(dá)保護(hù)器件。
• 電源和地平面設(shè)計(jì)：使用 $V_{CC}$ 和接地平面可以提供低電感路徑，因?yàn)楦哳l電流傾向于遵循阻抗最小的路徑，而不是電阻最小的路徑。
• 去耦電容布局：在電路板上，應(yīng)將 100nF 至 220nF 的去耦電容盡可能靠近收發(fā)器、UART 和/或控制器 IC 的 $V{CC}$ 和 $V{IO}$ 引腳，以減少電源噪聲對(duì)器件的影響。
• 過(guò)孔設(shè)計(jì)：對(duì)于去耦電容和保護(hù)器件的 $V_{CC}$ 和接地連接，應(yīng)使用至少兩個(gè)過(guò)孔，以最小化過(guò)孔的有效電感。
• 電阻設(shè)計(jì)：對(duì)于使能/SLR 線，應(yīng)使用 1kΩ 至 10kΩ 的上拉和下拉電阻，以限制瞬態(tài)事件期間這些線路中的噪聲電流。
• 脈沖防護(hù)電阻：如果 TVS 鉗位電壓高于收發(fā)器總線引腳的指定最大電壓，應(yīng)在 A/Y 和 B/Z 總線線路中插入脈沖防護(hù)電阻，以限制流入收發(fā)器的殘余鉗位電流，防止器件閂鎖。

3. 數(shù)據(jù)速率與總線長(zhǎng)度

數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度之間存在反比關(guān)系，即數(shù)據(jù)速率越高，電纜長(zhǎng)度越短；反之，數(shù)據(jù)速率越低，電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需求合理選擇數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度。對(duì)于 THVD24xxV 系列器件，在短互連或信號(hào)頻率下衰減合適的情況下，甚至可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 50Mbps 的數(shù)據(jù)速率。

4. 分支長(zhǎng)度

在將節(jié)點(diǎn)連接到總線時(shí)，收發(fā)器輸入與電纜主干之間的距離（即分支長(zhǎng)度）應(yīng)盡可能短。分支長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)引入反射，影響信號(hào)質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，分支的電氣長(zhǎng)度（往返延遲）應(yīng)小于驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間的十分之一，可根據(jù)公式 $L{(STUB)} leq 0.1 × t{r} × v × C$ 計(jì)算最大物理分支長(zhǎng)度，其中 $t_{r}$ 是驅(qū)動(dòng)器的 10/90 上升時(shí)間，$c$ 是光速（$3 × 10^{8} m/s$），$v$ 是電纜或走線的信號(hào)速度與光速的比值。

5. 總線負(fù)載

RS - 485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，合規(guī)的驅(qū)動(dòng)器必須能夠驅(qū)動(dòng) 32 個(gè)單位負(fù)載（UL），每個(gè)單位負(fù)載代表約 12kΩ 的負(fù)載阻抗。THVD24xxV 系列器件由 1/8 UL 收發(fā)器組成，在 -7V 至 12V 的有限共模范圍內(nèi)，最多可將 256 個(gè)接收器連接到總線。

四、總結(jié)

THVD24xxV 系列 RS - 485 收發(fā)器以其寬電壓范圍、靈活的數(shù)據(jù)速率選擇、強(qiáng)大的保護(hù)功能、高抗噪能力和低功耗設(shè)計(jì)，成為工業(yè)通信領(lǐng)域的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理進(jìn)行電源設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)，考慮數(shù)據(jù)速率與總線長(zhǎng)度、分支長(zhǎng)度、總線負(fù)載等因素，以充分發(fā)揮該系列器件的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)可靠、高效的數(shù)據(jù)通信。

你在使用 RS - 485 收發(fā)器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？你認(rèn)為 THVD24xxV 系列器件在你的應(yīng)用場(chǎng)景中是否能夠滿足需求？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。