TCAN1051-Q1系列CAN收發(fā)器：汽車應(yīng)用的理想之選

在汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線憑借其高可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，成為了數(shù)據(jù)通信的主流標(biāo)準(zhǔn)。而CAN收發(fā)器作為CAN總線系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其性能直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和通信效率。今天，我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）推出的TCAN1051-Q1系列CAN收發(fā)器。

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一、產(chǎn)品概述

TCAN1051-Q1系列CAN收發(fā)器包括TCAN1051-Q1、TCAN1051V-Q1、TCAN1051H-Q1等多種型號，它們均符合ISO11898-2（2016）高速CAN物理層標(biāo)準(zhǔn)，適用于CAN FD（Flexible Data Rate）網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)5 Mbps。該系列產(chǎn)品專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具備出色的電氣性能、強(qiáng)大的保護(hù)功能和良好的電磁兼容性（EMC），能夠滿足汽車電子系統(tǒng)對可靠性和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。

二、關(guān)鍵特性

（一）電氣性能

1. 高速數(shù)據(jù)傳輸：所有型號都支持經(jīng)典CAN和2 Mbps的CAN FD，帶“G”后綴的型號更是支持高達(dá)5 Mbps的數(shù)據(jù)速率，能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/li>
2. 低延遲和快速循環(huán)時(shí)間：具有短而對稱的傳播延遲時(shí)間和快速的循環(huán)時(shí)間，可提供更高的時(shí)序裕量，有助于在負(fù)載較重的CAN網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。
3. 寬電壓范圍：I/O電壓范圍支持3.3 V和5 V的微控制器（MCU），增強(qiáng)了產(chǎn)品的兼容性和靈活性。
4. 低功耗：在正常模式和靜默模式下，功耗都非常低，有助于降低系統(tǒng)的整體功耗。

（二）保護(hù)功能

1. ESD保護(hù)：提供高達(dá)±15 kV的IEC ESD保護(hù)，有效防止靜電放電對設(shè)備造成損壞。
2. 總線故障保護(hù)：非“H”型號可承受±58 V的總線故障電壓，“H”型號更是可承受±70 V的故障電壓，增強(qiáng)了設(shè)備在惡劣環(huán)境下的可靠性。
3. 欠壓保護(hù)：“V”型號在(V{CC})和(V{IO})電源端子上提供欠壓保護(hù)，確保設(shè)備在電源不穩(wěn)定時(shí)仍能正常工作。
4. 熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）：當(dāng)芯片溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器，防止芯片過熱損壞。
5. 驅(qū)動(dòng)器主導(dǎo)超時(shí)（TXD DTO）：可防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致TXD長時(shí)間處于主導(dǎo)狀態(tài)，從而阻塞網(wǎng)絡(luò)通信，最低支持10 kbps的數(shù)據(jù)速率。

（三）電磁兼容性（EMC）

支持SAE J2962-2和IEC 62228-3（高達(dá)500 kbps）標(biāo)準(zhǔn)，無需共模扼流圈即可實(shí)現(xiàn)良好的EMC性能，降低了系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

（四）封裝形式

提供SOIC(8)和無鉛VSON(8)（3.0 mm x 3.0 mm）兩種封裝形式，其中VSON(8)封裝具有更好的自動(dòng)光學(xué)檢測（AOI）能力，方便生產(chǎn)制造。

三、應(yīng)用場景

（一）汽車和交通運(yùn)輸

適用于各種汽車電子系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、車身電子、底盤控制等，能夠滿足高負(fù)載CAN網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

（二）重型機(jī)械ISOBUS應(yīng)用

符合ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)，可用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械等重型設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)。

四、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

（一）TXD主導(dǎo)超時(shí)（DTO）功能

在正常模式下，當(dāng)TXD由于硬件或軟件故障長時(shí)間處于主導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，TXD DTO電路會(huì)在超時(shí)時(shí)間(t_{TXD_DTO})后禁用CAN總線驅(qū)動(dòng)器，釋放總線供其他節(jié)點(diǎn)通信。當(dāng)TXD恢復(fù)為隱性信號時(shí)，驅(qū)動(dòng)器重新激活。這一功能有效避免了總線因單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障而被阻塞，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

（二）熱關(guān)斷（TSD）功能

當(dāng)芯片的結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值(T{TSD})時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)器電路，將總線端子偏置到隱性電平，同時(shí)接收器仍可正常工作。當(dāng)結(jié)溫下降到(T{TSD}-T_{TSD_HYS})以下時(shí)，熱關(guān)斷狀態(tài)解除，設(shè)備恢復(fù)正常工作。

（三）欠壓鎖定功能

當(dāng)(V{CC})或(V{IO})電源電壓低于設(shè)定的欠壓閾值時(shí)，設(shè)備進(jìn)入保護(hù)模式，總線輸出和RXD輸出均為高阻抗?fàn)顟B(tài)，避免對總線造成干擾。當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后，設(shè)備通常在50 μs內(nèi)恢復(fù)正常工作。

（四）無電源設(shè)備特性

當(dāng)設(shè)備未供電時(shí)，總線端子（CANH、CANL）和邏輯端子具有極高的阻抗，幾乎不產(chǎn)生泄漏電流，不會(huì)對CAN總線和其他電路造成負(fù)載，確保了網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)未供電時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)仍能正常工作。

（五）浮動(dòng)端子處理

關(guān)鍵端子具有內(nèi)部上拉或下拉電阻，當(dāng)端子浮空時(shí)，可將設(shè)備置于已知狀態(tài)。例如，TXD端子上拉到(V{CC})或(V{IO})，強(qiáng)制輸入為隱性電平；S端子下拉到地，使設(shè)備進(jìn)入正常模式。

（六）CAN總線短路電流限制

設(shè)備具備驅(qū)動(dòng)器電流限制和TXD主導(dǎo)狀態(tài)超時(shí)功能，可有效限制CAN總線短路時(shí)的電流。通過計(jì)算平均短路電流(IOS(AVG))，可以合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的功率額定值，確保系統(tǒng)在短路故障時(shí)的安全性。

（七）數(shù)字輸入和輸出特性

• 5 - V (V_{CC}) 僅供電設(shè)備（無“V”后綴）：由單一5 - V電源供電，數(shù)字輸入具有TTL輸入閾值，兼容5 V和3.3 V電平。RXD輸出在邏輯高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)到(V_{CC})。
• 5 - V (V{CC}) 帶(V{IO}) 電平轉(zhuǎn)換設(shè)備（有“V”后綴）：使用5 - V (V{CC}) 為CAN驅(qū)動(dòng)器和高速接收器供電，同時(shí)提供(V{IO}) 電源用于I/O電平轉(zhuǎn)換，可設(shè)置TXD和S引腳的CMOS輸入閾值以及RXD的高電平輸出電壓。

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（一）總線負(fù)載、長度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量

ISO 11898 - 2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了CAN總線的最大長度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，但通過合理設(shè)計(jì)，用戶可以增加總線長度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。TCAN1051系列收發(fā)器具有高輸入阻抗，理論上支持單總線段最多100個(gè)收發(fā)器，但實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮信號損失、寄生負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)不平衡等因素，通常節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)遠(yuǎn)低于理論值。

（二）CAN終端匹配

為了防止信號反射，CAN總線兩端必須使用與電纜特性阻抗相等的電阻進(jìn)行終端匹配?？梢圆捎脴?biāo)準(zhǔn)終端或分割終端方式，分割終端有助于改善總線的電磁輻射特性。

（三）電源供應(yīng)

設(shè)備的(V{CC}) 輸入電壓范圍為4.5 V至5.5 V，部分型號的(V{IO}) 輸入電壓范圍為3 V至5.5 V，電源必須穩(wěn)定可靠。建議在CAN收發(fā)器的(V{CC}) 和(V{IO}) 電源端子附近分別放置大容量電容（如4.7 μF）和旁路電容（如0.1 μF），以減少電源紋波。

（四）PCB布局

• 保護(hù)和濾波電路應(yīng)盡量靠近總線連接器，防止瞬態(tài)、ESD和噪聲進(jìn)入電路板。
• 使用電源和接地平面提供低電感路徑，高頻電流會(huì)遵循阻抗最小的路徑。
• 旁路電容和保護(hù)設(shè)備的電源和接地連接應(yīng)使用至少兩個(gè)過孔，以減小走線和過孔的電感。
• 總線終端匹配應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理放置，確保終端節(jié)點(diǎn)不會(huì)被移除。
• 對于數(shù)字線路，可以使用串聯(lián)電阻限制電流，但不是必需的。

六、總結(jié)

TCAN1051-Q1系列CAN收發(fā)器憑借其出色的電氣性能、強(qiáng)大的保護(hù)功能和良好的電磁兼容性，為汽車和工業(yè)應(yīng)用提供了可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)CAN總線系統(tǒng)時(shí)，工程師需要充分考慮總線負(fù)載、終端匹配、電源供應(yīng)和PCB布局等因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和應(yīng)用TCAN1051-Q1系列收發(fā)器。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。