深入解析SN65HVD23x 3.3-V CAN總線收發(fā)器

在工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)控制等領(lǐng)域，CAN總線憑借其高可靠性、實(shí)時(shí)性和多主通信的優(yōu)勢，成為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾侄?。今天，我們就來深入探討一?a href="http://m.makelele.cn/tags/德州儀器/" target="_blank">德州儀器（TI）的SN65HVD23x系列3.3-V CAN總線收發(fā)器，看看它有哪些獨(dú)特之處，以及在實(shí)際應(yīng)用中該如何設(shè)計(jì)。

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一、產(chǎn)品概述

SN65HVD23x系列包括SN65HVD230、SN65HVD231和SN65HVD232三款CAN總線收發(fā)器，它們均符合ISO 11898-2高速CAN物理層標(biāo)準(zhǔn)，適用于數(shù)據(jù)速率高達(dá)1 Mbps的應(yīng)用場景。這些收發(fā)器專為與TI的3.3 V微處理器（μPs）、微控制器（MCUs）和數(shù)字信號處理器（DSPs）配合使用而設(shè)計(jì)，同時(shí)具備多種保護(hù)功能，能有效提高設(shè)備和CAN網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

二、產(chǎn)品特性

2.1 電源與兼容性

• 單3.3 V電源供電：降低了系統(tǒng)功耗，適合低功耗應(yīng)用。
• 符合ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)：確保了與其他符合該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的兼容性。
• 可替代PCA82C250：提供了低功耗的替代方案。

2.2 保護(hù)特性

• 總線引腳ESD保護(hù)：超過±16 kV HBM，有效防止靜電對設(shè)備的損害。
• 熱關(guān)斷保護(hù)：當(dāng)溫度過高時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器，保護(hù)設(shè)備安全。
• 開路故障安全設(shè)計(jì)：確保在總線開路時(shí)，接收器輸出邏輯高電平。
• 無毛刺上電和掉電保護(hù)：適用于熱插拔應(yīng)用，避免在插拔過程中對總線造成干擾。

2.3 其他特性

• 高輸入阻抗：允許總線上連接多達(dá)120個(gè)節(jié)點(diǎn)。
• 可調(diào)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換時(shí)間：通過調(diào)整(R_{S})引腳連接的電阻值，可以控制驅(qū)動(dòng)器的上升和下降斜率，改善電磁輻射性能。
• 低功耗模式：SN65HVD230具有低電流待機(jī)模式（典型值370 μA），SN65HVD231具有超低電流睡眠模式（典型值40 nA）。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

• 工業(yè)自動(dòng)化與控制：如傳感器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)和機(jī)器人控制等。
• 建筑與氣候控制（HVAC）：實(shí)現(xiàn)對建筑物內(nèi)環(huán)境的智能控制。
• 電信與基站控制：確保通信設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
• CAN總線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用：如CANopen、DeviceNet和CAN Kingdom等。

四、詳細(xì)描述

4.1 功能模式

SN65HVD230和SN65HVD231的(R_{S})引腳提供三種不同的工作模式：

• 高速模式：將(R_{S})引腳連接到地，允許發(fā)射器輸出晶體管盡可能快地開關(guān)，適用于對速度要求較高的工業(yè)應(yīng)用。
• 斜率控制模式：通過在(R_{S})引腳和地之間串聯(lián)一個(gè)電阻，可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)器輸出的上升和下降斜率，降低電磁干擾。例如，使用10 kΩ電阻時(shí)，設(shè)備的壓擺率約為15 V/μs；使用100 kΩ電阻時(shí)，壓擺率約為2 V/μs。
• 低功耗模式：
  • SN65HVD230：當(dāng)(R_{S})引腳施加高邏輯電平時(shí)，進(jìn)入低電流待機(jī)模式（僅監(jiān)聽），此時(shí)驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉，接收器保持活動(dòng)狀態(tài)。
  • SN65HVD231：當(dāng)(R{S})引腳施加高邏輯電平時(shí)，進(jìn)入超低電流睡眠模式，驅(qū)動(dòng)器和接收器均關(guān)閉，直到(R{S})引腳施加低邏輯電平重新激活。

4.2 引腳配置與功能

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1 典型應(yīng)用

在典型的CAN網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)微處理器的CAN控制器輸出（TXD）連接到收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)器輸入（D引腳），收發(fā)器的接收器輸出（R引腳）連接到CAN控制器的輸入（RXD）。收發(fā)器通過CANH和CANL引腳連接到差分總線線路，總線通常是一對特性阻抗為120 Ω的雙絞線，采用標(biāo)準(zhǔn)的半雙工多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線兩端各連接一個(gè)120 Ω的電阻進(jìn)行終端匹配，以減少信號反射。

5.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• CAN終端匹配：使用120 Ω電阻進(jìn)行終端匹配，可采用標(biāo)準(zhǔn)終端或分裂終端（兩個(gè)60 Ω電阻中間通過電容接地），分裂終端能提供共模濾波。
• 環(huán)路傳播延遲：收發(fā)器的環(huán)路延遲是衡量設(shè)備整體傳播延遲的指標(biāo)，包括驅(qū)動(dòng)器輸入到差分輸出的延遲以及接收器輸入到輸出的延遲。在斜率控制模式下，驅(qū)動(dòng)器輸出斜率變慢，環(huán)路延遲會(huì)增加，需要在總線長度和驅(qū)動(dòng)器輸出斜率之間進(jìn)行權(quán)衡。
• 總線負(fù)載、長度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量：ISO11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)據(jù)速率、最大總線長度、最大分支長度和最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量，但通過精心設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，可以增加電纜長度、分支長度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。SN65HVD23x系列支持在單個(gè)總線段上連接多達(dá)120個(gè)收發(fā)器。

六、電源與布局建議

6.1 電源建議

為確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，每個(gè)CAN收發(fā)器的(V{CC})電源引腳應(yīng)使用一個(gè)100-nF陶瓷電容進(jìn)行去耦，電容應(yīng)盡可能靠近(V{CC})和GND引腳。推薦使用TPS76333線性穩(wěn)壓器提供3.3-V電源。

6.2 布局指南

• 保護(hù)和濾波電路設(shè)計(jì)：在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先設(shè)計(jì)保護(hù)和濾波電路，采用高頻布局技術(shù)，使用外部瞬態(tài)保護(hù)設(shè)備（如瞬態(tài)電壓抑制器TVS），并將其放置在總線連接器處，防止瞬態(tài)信號進(jìn)入PCB和系統(tǒng)。
• 電源和接地平面：使用(V_{CC})和接地平面提供低電感路徑，因?yàn)楦哳l電流會(huì)遵循電感最小的路徑。
• 總線保護(hù)組件布局：總線瞬態(tài)保護(hù)和濾波組件應(yīng)盡可能靠近總線連接器，以防止瞬態(tài)、ESD和噪聲干擾其他設(shè)備。
• 終端匹配布局：如果終端匹配電阻放置在電路板上，應(yīng)確保終端節(jié)點(diǎn)不會(huì)從總線上移除，以免影響總線信號完整性。
• 旁路和去耦電容：旁路和大容量電容應(yīng)盡可能靠近收發(fā)器的電源引腳，使用至少兩個(gè)過孔連接(V_{CC})和接地，以減少走線和過孔的電感。
• 數(shù)字線路處理：可使用串聯(lián)電阻限制數(shù)字線路的電流，使用電容過濾數(shù)字IO線路上的噪聲。對于浮空引腳，應(yīng)使用外部1k至10k歐姆的上拉或下拉電阻進(jìn)行偏置。

七、總結(jié)

SN65HVD23x系列3.3-V CAN總線收發(fā)器憑借其豐富的特性和良好的兼容性，為工業(yè)自動(dòng)化、通信等領(lǐng)域的CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求選擇合適的工作模式，合理設(shè)計(jì)終端匹配、電源和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，我們也要注意靜電放電對設(shè)備的影響，采取必要的防護(hù)措施。希望本文能對大家在CAN總線收發(fā)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中有所幫助。

各位工程師朋友，在使用SN65HVD23x系列收發(fā)器的過程中，你們遇到過哪些問題或有什么獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享交流。