TCAN1042-Q1汽車類CAN收發(fā)器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在汽車電子領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線作為一種可靠的通信方式，廣泛應(yīng)用于各種汽車系統(tǒng)中。而CAN收發(fā)器則是CAN總線通信的關(guān)鍵組件，它負(fù)責(zé)將CAN控制器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在CAN總線上傳輸?shù)牟罘?a target="_blank">信號(hào)，以及將總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供CAN控制器處理。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）的TCAN1042-Q1系列汽車類CAN收發(fā)器。

文件下載：tcan1042hg-q1.pdf

一、特性亮點(diǎn)

1. 汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與兼容性

TCAN1042-Q1系列符合AEC-Q100（等級(jí)1）標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它能夠滿足汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求，具備高可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，它還符合ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)，確保了與其他符合這些標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備能夠良好兼容。

2. 功能安全支持

該系列產(chǎn)品提供功能安全相關(guān)文檔，可幫助工程師進(jìn)行功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在汽車電子系統(tǒng)中，功能安全至關(guān)重要，它能夠確保系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)仍能保持安全運(yùn)行，減少潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

3. “Turbo”CAN技術(shù)

所有器件均支持經(jīng)典CAN和2Mbps CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率），而帶有“G”選項(xiàng)的器件更是支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率。這種高速數(shù)據(jù)傳輸能力使得系統(tǒng)能夠更快地傳輸大量數(shù)據(jù)，提高了通信效率。此外，它還具有較短的對(duì)稱傳播延遲時(shí)間和快速循環(huán)次數(shù)，可增加時(shí)序裕量，在有負(fù)載的CAN網(wǎng)絡(luò)中也能實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率。

4. 出色的EMC性能

支持SAE J2962-2和IEC 62228-3（最高500kbps）標(biāo)準(zhǔn)，并且在某些情況下無(wú)需共模扼流圈，這不僅降低了系統(tǒng)成本，還減少了電路板的空間占用。

5. 寬I/O電壓范圍與理想無(wú)源行為

I/O電壓范圍支持3.3V和5V MCU，提高了與不同微控制器的兼容性。未供電時(shí)，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)，無(wú)負(fù)載，并且在總線和RXD輸出上實(shí)現(xiàn)上電/斷電無(wú)干擾運(yùn)行，這對(duì)于多節(jié)點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò)非常重要，可避免對(duì)其他節(jié)點(diǎn)造成影響。

6. 多重保護(hù)特性

具備多種保護(hù)特性，如IEC ESD保護(hù)高達(dá)±15kV，可有效防止靜電放電對(duì)器件造成損壞；總線故障保護(hù)方面，非H型號(hào)可達(dá)±58V，H型號(hào)可達(dá)±70V，增強(qiáng)了器件在惡劣環(huán)境下的可靠性；$V{CC}$和$V{IO}$（僅限V型號(hào)）電源終端具有欠壓保護(hù)，驅(qū)動(dòng)器顯性超時(shí)（TXD DTO）可防止長(zhǎng)時(shí)間發(fā)送顯性信號(hào)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞，熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）可在器件溫度過(guò)高時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)器件不受損壞。

7. 廣泛的溫度范圍與封裝選擇

結(jié)溫范圍為–55°C至150°C，適用于各種惡劣的工作環(huán)境。采用SOIC（8）封裝和無(wú)引線VSON（8）封裝（3.0mm x 3.0mm），提高了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）能力，方便生產(chǎn)制造。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

1. 汽車和運(yùn)輸領(lǐng)域

該系列器件適用于所有高負(fù)載CAN網(wǎng)絡(luò)，可用于汽車的各種電子系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、車身電子系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)等。同時(shí)，也可應(yīng)用于重型機(jī)械的ISOBUS應(yīng)用（ISO 11783），滿足不同類型車輛和機(jī)械設(shè)備的通信需求。

2. 高速CAN應(yīng)用

針對(duì)汽車應(yīng)用的SAE J2284高速CAN、GMW3122雙線制CAN物理層等標(biāo)準(zhǔn)，TCAN1042-Q1系列都能提供良好的支持，確保高速、可靠的通信。

三、器件信息與對(duì)比

1. 封裝信息

該系列器件提供SOIC（8）和VSON（8）兩種封裝形式，不同封裝尺寸不同，用戶可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

2. 器件對(duì)比

不同型號(hào)的TCAN1042-Q1在總線故障保護(hù)、數(shù)據(jù)速率、I/O電平轉(zhuǎn)換等方面存在差異。例如，帶有“H”后綴的型號(hào)具有更高的總線故障保護(hù)電壓（±70V），而帶有“G”后綴的型號(hào)支持更高的數(shù)據(jù)速率（5Mbps），帶有“V”后綴的型號(hào)則具備I/O電平轉(zhuǎn)換功能。用戶在選擇器件時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)要求進(jìn)行綜合考慮。

四、參數(shù)與特性詳解

1. 絕對(duì)最大額定值

規(guī)定了器件在各種電源電壓、總線電壓、邏輯輸入輸出電壓等方面的最大允許值，超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。例如，$V_{CC}$的范圍為-0.3V至7V，不同型號(hào)的CAN總線I/O電壓范圍也有所不同。

2. ESD評(píng)級(jí)

該系列器件具有較高的ESD保護(hù)能力，如HBM分類級(jí)別為3A（±6000V），對(duì)于CANH和CANL引腳相對(duì)于GND的HBM分類級(jí)別可達(dá)3B（±16000V），CDM分類級(jí)別為C6（±1500V）。在系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試中，也表現(xiàn)出良好的性能，如CAN總線端子（CANH，CANL）到GND的SAE J2962-2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中，靜電放電可達(dá)±15000V（空氣放電）和±8000V（接觸放電）。

3. 推薦工作條件

給出了器件正常工作時(shí)的電源電壓范圍、輸出電流等參數(shù)的推薦值。例如，$V{CC}$的推薦范圍為4.5V至5.5V，$V{IO}$的推薦范圍為3V至5.5V。

4. 熱信息

提供了器件的熱阻、熱關(guān)斷溫度等熱學(xué)參數(shù)。不同封裝的熱阻不同，如SOIC（8）封裝的結(jié)到空氣熱阻為105.8°C/W，而VSON（8）封裝的結(jié)到空氣熱阻為48.3°C/W。熱關(guān)斷溫度為170°C，熱關(guān)斷滯回為5°C，可確保器件在高溫環(huán)境下的安全運(yùn)行。

5. 電氣特性

詳細(xì)列出了器件在不同工作模式下的電源電流、輸入輸出電壓、電流等電氣參數(shù)。例如，在正常模式（顯性）下，5-V電源電流在不同負(fù)載條件下有所不同，典型值在40 - 80mA之間；在待機(jī)模式下，電流則大幅降低。

6. 開關(guān)特性

包括總環(huán)路延遲、模式轉(zhuǎn)換時(shí)間、濾波時(shí)間等開關(guān)參數(shù)。總環(huán)路延遲在不同的轉(zhuǎn)換狀態(tài)下有所不同，如從隱性到顯性的總環(huán)路延遲典型值為110ns。模式轉(zhuǎn)換時(shí)間從正常模式到待機(jī)模式或從待機(jī)模式到正常模式的典型值為9μs。

7. 典型特性

給出了一些典型的特性曲線，如$V{OD(D)}$隨溫度的變化曲線、$I{CC}$隱性電流隨溫度的變化曲線等，幫助工程師更好地了解器件在不同條件下的性能。

五、詳細(xì)功能描述

1. TXD顯性超時(shí)（DTO）

在正常模式下，TXD DTO電路可防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致TXD長(zhǎng)時(shí)間保持顯性狀態(tài)而阻塞網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)TXD信號(hào)的下降沿觸發(fā)DTO電路定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，如果在超時(shí)時(shí)間$t_{TXD_DTO}$內(nèi)沒有檢測(cè)到上升沿，DTO電路將禁用CAN總線驅(qū)動(dòng)器，釋放總線供其他節(jié)點(diǎn)通信。當(dāng)TXD終端檢測(cè)到隱性信號(hào)時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器將重新激活。

2. 熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)器件的結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值（$T_{TSD}$）時(shí)，器件將關(guān)閉CAN總線驅(qū)動(dòng)器，以防止過(guò)熱損壞。此時(shí)，總線終端被偏置到隱性電平，接收器和RXD終端仍能反映CAN總線上的活動(dòng)。當(dāng)結(jié)溫下降到低于熱關(guān)斷溫度減去熱關(guān)斷滯回溫度時(shí)，器件將恢復(fù)正常工作。

3. 欠壓鎖定

$V{CC}$和$V{IO}$電源終端具有欠壓檢測(cè)功能，當(dāng)電源電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，器件將進(jìn)入保護(hù)模式，以保護(hù)總線不受影響。不同型號(hào)的器件在欠壓情況下的狀態(tài)和輸出有所不同，具體可參考相關(guān)表格。

4. 未供電設(shè)備

當(dāng)器件未供電時(shí)，總線端子（CANH，CANL）具有極低的泄漏電流，不會(huì)對(duì)CAN總線造成負(fù)載，確保其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。

5. 浮動(dòng)端子

器件的關(guān)鍵端子（如TXD和STB）具有內(nèi)部上拉電阻，當(dāng)這些端子浮空時(shí)，可將器件置于已知狀態(tài)。但在瞬態(tài)或嘈雜環(huán)境下，內(nèi)部偏置可能不足以滿足系統(tǒng)級(jí)偏置要求，需要額外的外部電路進(jìn)行處理。

6. CAN總線短路電流限制

器件具有兩種保護(hù)功能來(lái)限制CAN總線短路時(shí)的電流：驅(qū)動(dòng)器電流限制和TXD顯性狀態(tài)超時(shí)。在計(jì)算平均短路電流時(shí)，需要考慮節(jié)點(diǎn)的發(fā)送和接收比例、顯性和隱性位的比例以及相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)短路電流。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)根據(jù)短路電流和可能的故障情況來(lái)確定終端電阻和其他網(wǎng)絡(luò)組件的功率額定值。

7. 數(shù)字輸入和輸出

• 僅$V_{CC}$供電的器件（無(wú)“V”后綴）：由單一的5-V電源供電，數(shù)字輸入具有TTL輸入閾值，與5V和3.3V的微控制器兼容。RXD輸出在邏輯高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)到$V{CC}$。TXD和STB引腳內(nèi)部上拉到$V{CC}$。當(dāng)與具有開漏TXD輸出的CAN控制器配合使用時(shí)，需要特別考慮TXD上拉強(qiáng)度和CAN位時(shí)序，可能需要使用適當(dāng)?shù)耐獠可侠娮琛?/li>
• 具有$V_{IO}$ I/O電平轉(zhuǎn)換的器件（有“V”后綴）：使用5V $V{CC}$電源為CAN驅(qū)動(dòng)器和高速接收器模塊供電，同時(shí)具有第二個(gè)電源$V{IO}$用于I/O電平轉(zhuǎn)換。該電源用于設(shè)置CMOS輸入閾值和RXD高電平輸出電壓。TXD和STB引腳內(nèi)部上拉到$V_{IO}$。

8. 器件功能模式

• 正常模式：通過(guò)將STB端子設(shè)置為低電平來(lái)選擇正常模式。此時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器和接收器完全工作，CAN通信是雙向的。驅(qū)動(dòng)器將TXD上的數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為CANH和CANL上的差分輸出，接收器將CANH和CANL上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為RXD上的數(shù)字輸出。
• 待機(jī)模式：將STB端子設(shè)置為高電平可激活低功耗待機(jī)模式。在該模式下，總線發(fā)送器不發(fā)送數(shù)據(jù)，正常模式接收器也不接收數(shù)據(jù)，總線線路偏置到地，以最小化系統(tǒng)電源電流。只有低功耗接收器會(huì)主動(dòng)監(jiān)視總線上的活動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到有效的喚醒模式（WUP）時(shí)，RXD將指示有效的喚醒事件。

9. CAN總線狀態(tài)

CAN總線在器件通電運(yùn)行時(shí)有顯性和隱性兩種狀態(tài)。顯性總線狀態(tài)對(duì)應(yīng)于TXD和RXD端子上的邏輯低電平，此時(shí)總線被差分驅(qū)動(dòng)；隱性總線狀態(tài)對(duì)應(yīng)于TXD和RXD端子上的邏輯高電平，此時(shí)總線通過(guò)接收器的高電阻內(nèi)部輸入電阻$R{IN}$偏置到$V{CC} / 2$。

10. 遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求

在待機(jī)模式下，器件提供遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求功能，通過(guò)檢測(cè)ISO11898-2（2016）標(biāo)準(zhǔn)中的多個(gè)濾波顯性喚醒模式（WUP）來(lái)判斷總線上的活動(dòng)。當(dāng)接收到有效的WUP時(shí)，RXD輸出端子將出現(xiàn)下降沿并保持低電平，向微控制器指示喚醒請(qǐng)求。WUP由濾波顯性脈沖、濾波隱性脈沖和第二個(gè)濾波顯性脈沖組成，這些脈沖不需要連續(xù)出現(xiàn)，且在濾波位之間沒有超時(shí)限制。

11. 驅(qū)動(dòng)器和接收器功能表

詳細(xì)列出了器件在不同輸入條件下的輸出狀態(tài)，幫助工程師了解驅(qū)動(dòng)器和接收器的工作原理。例如，在驅(qū)動(dòng)器功能表中，當(dāng)STB為低電平、TXD為低電平時(shí)，CANH輸出高電平，CANL輸出低電平，總線處于顯性狀態(tài)。

六、應(yīng)用信息

1. 設(shè)計(jì)要求

• 總線負(fù)載、長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量：ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大總線長(zhǎng)度為40m和最大支線長(zhǎng)度為0.3m，但通過(guò)精心設(shè)計(jì)，用戶可以使用更長(zhǎng)的電纜、更長(zhǎng)的支線長(zhǎng)度和更多的節(jié)點(diǎn)。TCAN1042系列具有高輸入阻抗，理論上支持單個(gè)總線段上最多100個(gè)收發(fā)器，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要考慮信號(hào)損失、寄生負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)不平衡等因素，實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)量通常會(huì)遠(yuǎn)低于理論值。
• CAN終端：ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用特性阻抗為120Ω的雙絞線電纜，并在電纜兩端使用等于特性阻抗的電阻進(jìn)行終端匹配，以防止信號(hào)反射?？梢允褂脝蝹€(gè)120-Ω電阻進(jìn)行終端匹配，也可以使用分裂終端匹配，分裂終端匹配可以改善網(wǎng)絡(luò)的電磁輻射特性。

2. 典型應(yīng)用

給出了使用5V和3.3V CAN控制器的典型CAN總線應(yīng)用電路，展示了如何將TCAN1042-Q1系列器件與微處理器配合使用。

七、電源供應(yīng)與布局建議

1. 電源供應(yīng)

器件的$V{CC}$輸入電源電壓范圍為4.5V至5.5V，部分器件的$V{IO}$電源電壓范圍為3V至5.5V。為了減少電源電壓紋波，應(yīng)在CAN收發(fā)器的$V{CC}$和$V{IO}$電源輸出端附近分別放置大容量電容（通常為4.7μF）和旁路電容（通常為0.1μF）。

2. 布局

在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用高頻布局技術(shù)，將保護(hù)和濾波電路盡可能靠近總線連接器，以防止瞬態(tài)、ESD和噪聲進(jìn)入電路板?？梢允褂盟矐B(tài)電壓抑制（TVS）器件、總線濾波電容和串聯(lián)共模扼流圈等進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，應(yīng)使用電源和接地平面提供低電感，旁路和大容量電容應(yīng)盡可能靠近收發(fā)器的電源端子。

八、支持與文檔

1. 文檔更新通知

用戶可以在ti.com上的器件產(chǎn)品文件夾中訂閱更新，每周接收產(chǎn)品信息更改摘要，并查看修訂歷史記錄了解詳細(xì)更改信息。

2. 支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解答和設(shè)計(jì)幫助的重要資源。

3. 靜電放電注意事項(xiàng)

該集成電路可能會(huì)受到ESD損壞，因此在處理和安裝時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

九、總結(jié)

TCAN1042-Q1系列汽車類CAN收發(fā)器具有高性能、高可靠性和豐富的功能特性，適用于各種汽車和工業(yè)應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的型號(hào)，并合理考慮電源供應(yīng)、布局等因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。希望通過(guò)本文的介紹，能夠幫助工程師更好地了解和使用TCAN1042-Q1系列收發(fā)器。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。