SN65HVD3082、SN65HVD3088、SN75HVD3082、SN65HVD3085低功耗RS-485收发器

1 特性

• 符合或超出 TIA/EIA-485A 标准要求
• 低静态功率
– 有源模式下为 0.3mA
– 关断模式下为 1nA
• 1/8 单位负载，一条总线上多达 256 个节点
• 高达 15kV 的总线引脚 ESD 保护
• 业界通用通用 SN75176 封装
• 失效防护接收器（总线开路、总线短接、总线空闲）
• 无干扰上电和下电总线输入和输出

2 应用

• 能量计网络
• 电机控制
• 电源逆变器
• 工业自动化
• 楼宇自动化网络
• 电池供电的应用
• 电信设备

3 说明

SNx5HVD308xE 是专为 RS-485 数据总线网络设计的半双工收发器。这些器件由 5V 电源供电，完全符合TIA/EIA-485A 标准。通过控制转换时间，这些器件适用于在长双绞线电缆上传输数据。SN65HVD3082E 和SN75HVD3082E 经过优化，支持高达 200kbps 的信号传输速率。SN65HVD3085E 适用于高达 1Mbps 的数据传输，而 SN65HVD3088E 适用于要求信号传输速率高达20Mbps 的应用。

这些 器 件 设 计 为 可 在 非 常 低 的 电 源 电 流 （ 通常为0.3mA，不包括负载）下工作。在非工作关机模式下，电源电流可降至几纳安，使得这些器件是功率敏感型应用的理想之选。

这些器件具有较宽的共模范围和较高的 ESD 保护级别，使其适用于要求苛刻的应用，例如电表网络、电气逆变器、电信机架上的状态和命令信号、有线机箱互连以及噪声容限至关重要的工业自动化网络。这些器件符 合 SN75176 器件 的 业 界 通 用 尺 寸 。 上电 复 位电路使输出保持高阻抗状态，直到电源电压稳定。热关机功能可保护器件免受由于系统故障造成的损坏。

SN75HVD3082E 的特点是工作温度范围为 0°C 至70°C，而 SN65HVD308xE 的特点是工作温度范围为–40°C 至 85°C。SN65HVD3082E 的 D 封装版本的特点是可在 –40°C 至 105°C 的温度范围内运行。

封装信息

(1) 如需了解所有可用封装，请参阅数据表末尾的可订购产品附录。
(2) 封装尺寸（长 × 宽）为标称值，并包括引脚（如适用）。

5 引脚配置和功能

表 5-1.引脚功能

8 详细说明

8.1 概述

SNx5HVD308xE 系列半双工 RS-485 收发器适用于通过受控阻抗传输介质（如双绞线电缆）以高达 200 kbps（用于 SN65HVD3082E 和 SN75HVD3082E）、1 Mbps（用于 SN65HVD3085E）或 20 Mbps（用于 SN65HVD3088E）的速率传输数据。由于该系列的总线输入电流较低，多达 256 台 SNx5HVD308xE 可以共享一条公共 RS-485 总线。这些器件还具有高度的 ESD 保护和 1nA 的典型待机电流消耗。

8.2 功能框图

8.3 功能说明

SNx5HVD308xE 为开路、总线空闲或短路故障安全条件提供接收器输入阈值的内部偏置。它具有 30 mV 的典型迟滞，以提高抗噪性。
内部 ESD 保护电路可保护收发器总线端子免受 ±15kV 人体模型 （HBM） 静电放电的影响。
这些器件通过使用热关断功能来保护自身免受过热条件造成的损坏。在 165°C（标称值）时进入热关断状态，使器件进入具有高阻抗输出的低功耗状态。

8.4 设备功能模式

当驱动器使能引脚DE为逻辑高电平时，差分输出A和B遵循数据输入D处的逻辑状态。D 处的逻辑高电平导致 A 变为高电平，B 变为低电平。在这种情况下，定义为 VOD = VA – VB 的差分输出电压为正。当 D 为低电平时，输出状态反转，B 变为高电平，A 变为低电平，VOD 为负。

当DE为低电平时，两个输出都变为高阻抗。在这种情况下，D 处的逻辑状态无关紧要。DE引脚具有一个内部下拉电阻器，因此当保持开路时，驱动器默认处于禁用状态（高阻抗）。D引脚具有VCC的内部上拉电阻，因此，当驱动器使能时保持开路时，输出A变为高电平，B变为低电平。
表 8-1.驱动程序功能表
略

默认情况下，主动驱动总线为高电平
（1） H = 高电平，L = 低电平，Z = 高阻抗，X = 无关紧要
当接收器使能引脚RE为逻辑低电平时，接收器使能。当定义为VID = VA – VB的差分输入电压为正且高于正输入阈值VIT+时，接收器输出R变为高电平。当VID为负值且低于负输入阈值VIT–时，接收器输出R变为低电平。如果 VID 介于 VIT+ 和 VIT 之间– 输出是不确定的。

当 RE 逻辑为高电平或保持开路时，接收器输出为高阻抗，VID 的幅度和极性无关紧要。当收发器与总线断开（开路）、总线短路（短路）或总线未主动驱动（空闲总线）时，接收器输入的内部偏置会导致输出变为故障保护高电平。

9 应用与实施

9.1 应用信息

SNx5HVD308xE 器件是半双工 RS-485 收发器，通常用于异步数据传输。驱动器和接收器使能引脚允许配置不同的工作模式。
图 9-1.半双工收发器配置
使用独立的使能线可提供最灵活的控制，因为它允许驱动器和接收器单独打开和关闭。虽然此配置需要两条控制线，但无论驾驶员是否在传输数据，它都允许选择性地监听总线流量。
通过组合使能信号，形成单个方向控制信号，简化了与控制器的接口。

在这种配置中，收发器在方向控制线为高电平时用作驱动器，在方向控制线为低电平时用作接收器。
此外，当将接收器使能输入接地并仅控制驱动器使能输入时，只需要一条线路。在此配置中，节点不仅接收来自总线的数据，还接收它发送的数据，并可以验证是否传输了正确的数据。

9.2 典型应用

RS-485 总线由多个收发器组成，这些收发器并联到总线电缆。为了消除线路反射，每个电缆端接一个端接电阻RT，其值与电缆的特性阻抗Z0相匹配。这种方法称为并行端接，允许在更长的电缆长度上获得更高的数据速率。

9.2.1 设计要求

RS-485 是一种适用于长距离网络的可靠电气标准，可用于具有不同要求（例如距离、数据速率和节点数量）的广泛应用。

9.2.1.1 数据速率和总线长度

数据速率与总线长度成反比关系，表示数据速率越高，电缆长度越短;相反，数据速率越低，电缆的长度就越长，而不会引入数据错误。

虽然大多数 RS-485 系统使用介于 10 kbps 和 100 kbps 之间的数据速率，但某些应用在 4,000 英尺或更长的距离内要求高达 250 kbps 的数据速率。通过允许高达 5% 或 10% 的小信号抖动，可以实现更长的距离。
图 9-3.电缆长度与数据速率特性的关系

9.2.1.2 存根长度

将节点连接到总线时，收发器输入和电缆干线（称为短截线）之间的距离必须尽可能短。短截线是一段未端接的总线，随着短截线长度的增加，该总线会引入反射。作为一般准则， 电气长度， 或短截线的往返延迟， 必须小于驱动器上升时间的十分之一， 从而给出最大物理短截线长度， 如方程式 1 所示.
Lstub ≤ 0.1 × tr × v × c
(1)
这里：
• TR 是驱动器的 10/90 上升时间
• c 是光速 （3 × 10^8 m/s）
• v 是电缆或走线的信号速度，以 c 的系数表示

9.2.1.3 总线加载

RS-485 标准规定，兼容的驱动器必须能够驱动 32 个单位负载 （UL），其中 1 个单位负载表示大约 12 kΩ 的负载阻抗。SNx5HVD308xE 是一款 1/8 UL 收发器，这意味着它可以将多达 256 个接收器连接到总线。

9.2.1.4 接收器故障保护

差分接收器对无效总线状态具有故障保护功能，原因如下：
• 开路总线条件，例如连接器断开
• 母线短路情况，例如电缆损坏，双绞线短路在一起
• 当总线上没有一个驱动器正在主动驱动时，就会出现空闲总线状态。
在任何一种情况下，差分接收器都会输出故障安全逻辑高电平状态，因此接收器的输出不是不确定的。
接收器故障保护是通过偏移接收器阈值来实现的，因此输入不确定范围不包括零伏差分。

为了符合 RS-422 和 RS-485 标准，当差分输入 VID 大于 +200 mV 时，接收器输出必须输出高电平，当 VID 大于 –200 mV 时，接收器输出必须输出低电平。决定故障安全性能的接收机参数是 VIT+、VIT– 和 VHYS。如电气特性表所示，大于 –200 mV 的差分信号将始终导致接收机输出低，而正信号大于 +200 mV 将始终导致接收机输出高电平。

当差分输入信号接近于零时，仍高于最大VIT+阈值，接收机输出为高电平。只有当差分输入比VIT-更负时，接收器输出才会转换为低电平状态。总线故障条件下接收器输入的抗噪能力包括接收器滞后值VHYS（VIT+和VIT-之间的间隔）以及VIT+值。

9.2.2 详细设计程序

为了保护总线节点免受高能瞬变的影响，必须实施外部瞬态保护器件。
图 9-4.针对 ESD、EFT 和浪涌瞬变的瞬态保护
图 9-4 表示针对 10kV ESD （IEC 61000-4-2）、4kV EFT （IEC 61000-4-4） 和 1kV 的保护电路
浪涌 （IEC 61000-4-5） 瞬变。表 9-1 显示关联的物料清单。

9.2.2.1 RS-485收发器的功耗

由于功耗在许多应用中都是一个问题，因此电源电流被输送到总线负载以及收发器电路。对于典型的 RS-485 总线配置，有源驱动器必须驱动的负载由所有接收节点以及总线两端的终端电阻组成。

接收节点提供的负载取决于接收器的输入阻抗。TIA/EIA-485A 标准将单位负载定义为允许高达 1 mA 的电流。总线上允许最多 32 个单元负载，提供给所有接收器的总电流可高达 32 mA。HVD308xE 的额定功率为 1/8 单位负载设备。如图 6-1 所示，总线输入电流小于 0.125 mA，允许在单个总线上最多 256 个节点。

终端电阻中的电流取决于差分母线电压。该标准要求有源驱动器产生至少1.5 V的差分信号。对于两端各端接一个标准 120 Ω电阻的总线，当总线处于活动状态时，差分输出电流总计为 25 mA。通常，HVD308xE 可以为 60 Ω负载驱动超过 25mA 的电流，从而产生高于标准要求的最小差分输出电压（见图 6-3）。

总体而言，负载RS-485总线的总负载电流可达60 mA。这是对收发器本身所需电流的补充;HVD308xE 电路在使能驱动器和接收器时仅需要约 0.4 mA，在使能驱动器或使能接收器时仅需要 0.3 mA。在低功耗关断模式下，驱动器和接收器均不处于活动状态，电源电流较低。

电源电流随着信号速率的增加而增加，这主要是由于驱动器的图腾柱输出（见图6-2）。
当这些输出改变状态时，高端和低端输出晶体管都导通，这会在电源电流中产生短尖峰。随着状态变化频率的增加，使用更多的功率。

9.2.2.2 低功耗关断模式

当驱动器和接收器均禁用（DE 低电平和 RE 高电平）时，器件处于关断模式。如果使能输入处于此状态的时间少于 60 ns，则器件不会进入关断模式。这可防止在驱动器或接收器使能期间无意中进入关断模式。
只有当使能输入保持在此状态300 ns或更长时间时，才能确保器件处于关断模式。在这种低功耗关断模式下，大多数内部电路断电，电源电流典型值为1 nA。当驱动器或接收器重新启用时，内部电路将变为活动状态。

如果仅重新启用驱动器（DE转换为高电平），则驱动器输出根据驱动器开关特性中tPZH（SHDN）和tPZL（SHDN）给出的使能时间之后的D输入驱动。如果在启用驱动器时 D 输入打开，则根据驱动器故障安全功能，驱动器输出默认为 A 高电平和 B 低电平。

如果仅使接收机重新使能（RE转换为低电平），则在接收机开关特性中tPZH（SHDN）和tPZL（SHDN）给出的使能时间之后，根据总线输入（A和B）的状态驱动接收机输出。如果总线上没有有效状态，接收器将按照故障安全操作部分所述进行响应。

如果接收器和驱动器同时重新启用，则根据总线输入（A 和 B）的状态驱动接收器输出，根据 D 输入驱动驱动器输出。

10 电源建议

为确保在所有数据速率和电源电压下可靠运行，每个电源必须与尽可能靠近电源引脚的 100nF 陶瓷电容器去耦。这有助于减少开关电源输出端的电源电压纹波，还有助于补偿PCB电源平面的电阻和电感。

11 布局

11.1 布局指南

稳健可靠的总线节点设计通常需要使用外部瞬态保护器件，以防止工业环境中可能发生的 EFT 和浪涌瞬变。由于瞬变具有较宽的频率带宽（从大约3 MHz到3 GHz），因此在PCB设计过程中必须采用高频布局技术。
• 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。
• 使用 VCC 和接地层提供低电感。
备注
高频电流遵循最小电感的路径，而不是最小阻抗的路径。
• 将保护元件设计成信号路径的方向。不要强制瞬态电流从信号路径转移到达保护设备。
• 将 100nF 至 220nF 旁路电容尽可能靠近板上收发器、UART 和控制器 IC 的 VCC 引脚。
• 对旁路电容器和保护装置的 VCC 和接地连接至少使用两个通孔，以最大限度地减少有效通孔电感。
• 对使能线路使用 1kΩ 至 10kΩ 上拉或下拉电阻，以限制瞬态事件期间这些线路中的噪声电流。
• 如果 TVS 箝位电压高于收发器总线引脚的指定最大电压，则将串联防脉冲电阻器插入 A 和 B 母线线路。这些电阻器限制了进入收发器的残余箝位电流，并防止其闭锁。
• 虽然纯 TVS 保护足以应对高达 1 kV 的浪涌瞬变，但更高的瞬变需要将瞬态降低到几百伏的钳位电压的金属氧化物压敏电阻 （MOV），以及将瞬态电流限制在 200 mA 的瞬态阻断单元 （TBU）。