SN65HVD17xx系列RS - 485收發(fā)器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

引言

在工業(yè)控制、自動(dòng)化以及通信等眾多領(lǐng)域，RS - 485網(wǎng)絡(luò)憑借其高可靠性、長(zhǎng)距離傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。德州儀器（TI）的SN65HVD17xx系列故障保護(hù)型RS - 485收發(fā)器，以其卓越的性能和豐富的特性，為工程師們?cè)赗S - 485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中提供了強(qiáng)大的支持。今天，我們就來(lái)深入探討一下這個(gè)系列的收發(fā)器。

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產(chǎn)品概述

SN65HVD17xx系列包括SN65HVD1785、SN65HVD1786、SN65HVD1787、SN65HVD1791、SN65HVD1792和SN65HVD1793等型號(hào)。這些器件專(zhuān)為RS - 485和RS - 422網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，能夠承受高達(dá)±70V（部分型號(hào)±30V）的總線引腳故障，具備擴(kuò)展的共模電壓范圍（–20V至25V），遠(yuǎn)超TIA/EIA 485標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，它們還擁有±16kV的JEDEC HBM保護(hù)、低單位負(fù)載能力（最多支持256個(gè)節(jié)點(diǎn)）、故障安全接收器以及低功耗等特性。

產(chǎn)品特性

• 總線引腳故障保護(hù)：不同型號(hào)具有不同的故障保護(hù)電壓，如HVD1785、86、91、92可承受±70V，HVD1787、93可承受±30V，有效應(yīng)對(duì)電源短路、布線錯(cuò)誤等故障。
• 擴(kuò)展共模電壓范圍：–20V至25V的共模電壓范圍，使得在復(fù)雜電磁環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。
• ESD保護(hù)：±16kV的JEDEC HBM保護(hù)，增強(qiáng)了器件的抗靜電能力。
• 低單位負(fù)載：可支持多達(dá)256個(gè)節(jié)點(diǎn)，滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。
• 故障安全接收器：在開(kāi)路、短路和總線空閑等情況下，能確保接收器輸出穩(wěn)定的邏輯電平。
• 低功耗：典型待機(jī)電流僅1μA，工作時(shí)靜態(tài)電流也較低，如ICC典型值為5mA。

產(chǎn)品選型

從選型表中可以看出，信號(hào)速率和電纜長(zhǎng)度之間存在一定的反比關(guān)系，工程師們可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求來(lái)選擇合適的型號(hào)。

詳細(xì)特性分析

熱插拔特性

該系列器件支持熱插拔應(yīng)用，具備上電、掉電無(wú)毛刺操作、默認(rèn)禁用輸入/輸出引腳以及接收器故障安全等特性。內(nèi)部的上電復(fù)位電路會(huì)使驅(qū)動(dòng)器輸出處于高阻態(tài)，直到電源電壓達(dá)到可靠工作水平，避免了電源開(kāi)關(guān)時(shí)總線引腳輸出出現(xiàn)雜散轉(zhuǎn)換。同時(shí)，使能輸入默認(rèn)禁用，確保器件在控制器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)使能引腳之前，不會(huì)驅(qū)動(dòng)總線或報(bào)告數(shù)據(jù)。

故障安全接收器

在總線出現(xiàn)開(kāi)路、短路或空閑等無(wú)效狀態(tài)時(shí)，差分接收器會(huì)輸出故障安全邏輯高電平，確保接收器輸出確定。這是通過(guò)偏移接收器閾值實(shí)現(xiàn)的，使得“輸入不確定”范圍不包含零伏差分。在電氣特性表中，$V{IT-}$典型值為–150mV，最小值為 - 200mV，$V{IT+}$典型值為 - 100mV，最大值不超過(guò) - 10mV。當(dāng)差分輸入信號(hào)接近零時(shí)，仍高于$V{IT+}$閾值，接收器輸出為高電平；只有當(dāng)差分輸入低于$V{IT-}$時(shí)，接收器輸出才會(huì)變?yōu)榈碗娖?。典型的噪聲抗擾度約為150mV，最壞情況下也不低于40mV。

70V故障保護(hù)

SN65HVD17xx系列設(shè)計(jì)可承受高達(dá)±70V的總線引腳故障，但對(duì)于高速信號(hào)速率（10Mbps）的器件，在特定條件下（設(shè)備上電、驅(qū)動(dòng)器使能且D輸入為高電平等），直接短路到高于30V的電壓時(shí)可能會(huì)損壞。具體情況可參考相關(guān)表格。

其他選項(xiàng)

該系列還提供J1708應(yīng)用選項(xiàng)、始終啟用的全雙工版本（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SN65LBC179封裝）以及反極性版本，方便用戶在不重新布線的情況下糾正總線線序反轉(zhuǎn)問(wèn)題。

應(yīng)用與設(shè)計(jì)

典型應(yīng)用

在RS - 485網(wǎng)絡(luò)中，通常由多個(gè)收發(fā)器并聯(lián)連接到總線電纜。為消除線路反射，每個(gè)電纜末端需使用終端電阻$R{T}$，其值應(yīng)與電纜的特性阻抗$Z{0}$匹配，這種并行終端方法可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。

設(shè)計(jì)要求

• 數(shù)據(jù)速率和總線長(zhǎng)度：數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度成反比關(guān)系，大多數(shù)RS - 485系統(tǒng)使用10kbps至100kbps的數(shù)據(jù)速率，部分應(yīng)用可支持高達(dá)250kbps的數(shù)據(jù)速率和4000英尺以上的距離。更高的數(shù)據(jù)速率需要更短的電纜長(zhǎng)度，以確保信號(hào)質(zhì)量。
• Stub長(zhǎng)度：連接節(jié)點(diǎn)到總線時(shí)，收發(fā)器輸入與電纜主干之間的Stub長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。一般來(lái)說(shuō)，Stub的電氣長(zhǎng)度或往返延遲應(yīng)小于驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間的十分之一，可通過(guò)公式$L{stub } leq 0.1 × t{r} × v × c$計(jì)算最大物理Stub長(zhǎng)度。
• 接收器故障安全：與前面提到的一樣，差分接收器在總線出現(xiàn)無(wú)效狀態(tài)時(shí)能輸出故障安全邏輯高電平，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

布局指南

為確保器件在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠工作，布局時(shí)需遵循以下指南：

1. 將保護(hù)電路靠近總線連接器放置，防止噪聲瞬變進(jìn)入電路板。
2. 使用$V_{CC}$和接地平面提供低電感電源分配。
3. 設(shè)計(jì)保護(hù)組件時(shí)應(yīng)與信號(hào)路徑方向一致，避免瞬態(tài)電流偏離信號(hào)路徑。
4. 在收發(fā)器、UART或控制器IC的$V_{CC}$引腳附近使用100nF至220nF的旁路電容。
5. 旁路電容和保護(hù)器件的$V_{CC}$和接地連接使用至少兩個(gè)過(guò)孔，以減小過(guò)孔電感。
6. 使能線使用1kΩ至10kΩ的上拉和下拉電阻，限制瞬態(tài)事件中的噪聲電流。
7. 若TVS鉗位電壓高于收發(fā)器總線端子的指定最大電壓，可在A和B總線線路中插入串聯(lián)脈沖保護(hù)電阻。
8. 對(duì)于高達(dá)1kV的浪涌瞬變，純TVS保護(hù)即可；更高的瞬變則需要金屬氧化物壓敏電阻（MOVs）和瞬態(tài)阻斷單元（TBUs）。

總結(jié)

SN65HVD17xx系列RS - 485收發(fā)器憑借其出色的故障保護(hù)能力、擴(kuò)展的共模電壓范圍、低功耗以及豐富的特性，為RS - 485和RS - 422網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求合理選型，并嚴(yán)格遵循布局指南，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過(guò)類(lèi)似收發(fā)器的故障問(wèn)題？你是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。