深入解析TCAN1042-Q1系列CAN收發(fā)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)因其高可靠性和實(shí)時(shí)性，成為了設(shè)備間通信的重要手段。今天，我們就來(lái)深入探討TI公司的TCAN1042-Q1系列CAN收發(fā)器，看看它有哪些獨(dú)特的特性，適用于哪些應(yīng)用場(chǎng)景，以及在設(shè)計(jì)中需要注意哪些要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

TCAN1042-Q1系列包括TCAN1042-Q1、TCAN1042V-Q1、TCAN1042H-Q1等多種型號(hào)，該系列產(chǎn)品滿(mǎn)足AEC-Q100（grade 1）標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車(chē)應(yīng)用，同時(shí)符合ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)。它還具備功能安全能力，提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

二、產(chǎn)品特性

（一）高速通信能力

• 支持經(jīng)典CAN和2 Mbps的CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率），帶有“G”后綴的型號(hào)更支持5 Mbps的數(shù)據(jù)速率，能夠滿(mǎn)足高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用需求。
• 短而對(duì)稱(chēng)的傳播延遲時(shí)間和快速的環(huán)路時(shí)間，增強(qiáng)了時(shí)序裕量，即使在負(fù)載較重的CAN網(wǎng)絡(luò)中也能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。

（二）出色的EMC性能

該系列產(chǎn)品支持SAE J2962-2和IEC 62228-3（最高500 kbps）標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需共模扼流圈，有效降低了系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

（三）寬電壓范圍支持

I/O電壓范圍支持3.3 V和5 V的MCU，具有良好的兼容性，方便與不同電壓的微控制器連接。

（四）理想的無(wú)源特性

未供電時(shí)，總線(xiàn)和邏輯端子呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，無(wú)負(fù)載，對(duì)總線(xiàn)無(wú)影響。上電和下電過(guò)程中，總線(xiàn)和RXD輸出無(wú)毛刺，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（五）多重保護(hù)功能

• ESD保護(hù)：具備高達(dá)±15 kV的IEC ESD保護(hù)，有效防止靜電對(duì)設(shè)備的損壞。
• 總線(xiàn)故障保護(hù)：非“H”變體的總線(xiàn)故障保護(hù)為±58 V，“H”變體為±70 V，提高了設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性。
• 欠壓保護(hù)：僅“V”變體在(V{CC})和(V{IO})電源端子具備欠壓保護(hù)功能，確保設(shè)備在電源異常時(shí)的安全。
• 驅(qū)動(dòng)主導(dǎo)超時(shí)（TXD DTO）：數(shù)據(jù)速率低至10 kbps，防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致TXD長(zhǎng)時(shí)間處于主導(dǎo)狀態(tài)，影響網(wǎng)絡(luò)通信。
• 熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）：當(dāng)結(jié)溫超過(guò)閾值時(shí)，關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)設(shè)備不受過(guò)熱損壞。

（六）低功耗待機(jī)模式

該系列產(chǎn)品具有低功耗待機(jī)模式，并支持遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求功能，可有效降低系統(tǒng)功耗。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

（一）汽車(chē)和交通運(yùn)輸

適用于高度負(fù)載的CAN網(wǎng)絡(luò)，如汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)、車(chē)身電子等，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)電子對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性的要求。

（二）重型機(jī)械ISOBUS應(yīng)用

符合ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)，可用于重型機(jī)械的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的高效數(shù)據(jù)傳輸。

（三）高速CAN應(yīng)用

滿(mǎn)足SAE J2284、GMW3122等標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車(chē)高速CAN網(wǎng)絡(luò)，為汽車(chē)的智能化發(fā)展提供支持。

四、產(chǎn)品規(guī)格

（一）絕對(duì)最大額定值

（二）ESD評(píng)級(jí)

• HBM分類(lèi)等級(jí)：所有引腳為3A（±6000 V），全局引腳CANH和CANL相對(duì)于GND為3B（±16000 V）。
• CDM分類(lèi)等級(jí)：所有引腳為C6（±1500 V）。
• 機(jī)器模型（MM）：±200 V。

（三）推薦工作條件

（四）熱信息

不同封裝的熱阻參數(shù)有所不同，如D（SOIC）封裝的結(jié)到空氣熱阻為105.8 °C/W，DRB（VSON）封裝為48.3 °C/W。熱關(guān)斷溫度為170 °C，熱關(guān)斷遲滯為5 °C。

（五）功率評(píng)級(jí)

在不同的工作條件下，平均功率耗散不同。例如，典型CAN工作條件（500 kbps，25%傳輸率）下為52 mW，高負(fù)載CAN工作條件（1 Mbps，50%傳輸率）下為124 mW。

（六）電氣特性

涵蓋了電源特性、STB和TXD端子特性、RXD端子特性、驅(qū)動(dòng)和接收器電氣特性等多個(gè)方面，詳細(xì)規(guī)定了各項(xiàng)參數(shù)的取值范圍。

（七）開(kāi)關(guān)特性

包括總環(huán)路延遲、模式切換時(shí)間、驅(qū)動(dòng)和接收器的傳播延遲時(shí)間等參數(shù)，確保設(shè)備在不同工作狀態(tài)下的快速響應(yīng)。

五、功能描述

（一）TXD主導(dǎo)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)間處于主導(dǎo)狀態(tài)，影響網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)TXD在超時(shí)時(shí)間(t_{TXD_DTO})內(nèi)未出現(xiàn)上升沿時(shí)，CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)將被禁用，釋放總線(xiàn)供其他節(jié)點(diǎn)通信。

（二）熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)設(shè)備的結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值(T{TSD})時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)電路將被關(guān)閉，總線(xiàn)端子偏置到隱性電平，接收器到RXD路徑仍可正常工作。當(dāng)結(jié)溫下降到低于熱關(guān)斷溫度(T{TSD})至少熱關(guān)斷遲滯溫度(T_{TSD_HYS})時(shí)，關(guān)閉狀態(tài)將被清除。

（三）欠壓鎖定

當(dāng)(V{CC})或(V{IO})電源端子出現(xiàn)欠壓事件時(shí)，設(shè)備將進(jìn)入保護(hù)模式，保護(hù)總線(xiàn)不受影響。不同類(lèi)型的設(shè)備在欠壓時(shí)的狀態(tài)有所不同，具體可參考文檔中的表格。

（四）未供電設(shè)備特性

未供電時(shí)，設(shè)備對(duì)CAN總線(xiàn)呈“理想無(wú)源”狀態(tài)，總線(xiàn)和邏輯端子的泄漏電流極低，避免對(duì)總線(xiàn)和其他電路造成負(fù)載。

（五）浮動(dòng)端子處理

關(guān)鍵端子具有內(nèi)部上拉電阻，當(dāng)端子浮空時(shí)，可使設(shè)備處于已知狀態(tài)。TXD端子上拉到(V{CC})或(V{IO})，STB端子上拉可使設(shè)備進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。

（六）CAN總線(xiàn)短路電流限制

設(shè)備具備驅(qū)動(dòng)電流限制和TXD主導(dǎo)狀態(tài)超時(shí)保護(hù)功能，可限制CAN總線(xiàn)短路時(shí)的電流。平均短路電流可根據(jù)公式計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮網(wǎng)絡(luò)的短路電流和可能的故障情況，合理選擇終端電阻和其他網(wǎng)絡(luò)組件的功率額定值。

（七）數(shù)字輸入和輸出

• 無(wú)“V”后綴設(shè)備：由單一5-V電源供電，數(shù)字輸入具有TTL輸入閾值，與5 V和3.3 V兼容，RXD輸出高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)到(V{CC})，TXD和STB引腳內(nèi)部上拉到(V{CC})。
• 有“V”后綴設(shè)備：使用5 V (V{CC})電源為CAN驅(qū)動(dòng)和高速接收器模塊供電，同時(shí)具備用于I/O電平轉(zhuǎn)換的(V{IO})電源，可設(shè)置TXD和RXD的CMOS輸入閾值和高電平輸出電壓，TXD和STB內(nèi)部上拉到(V_{IO})。

（八）設(shè)備功能模式

• 正常模式：將STB端子置低，CAN驅(qū)動(dòng)和接收器完全工作，CAN通信雙向進(jìn)行。
• 待機(jī)模式：將STB端子置高，進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。此時(shí)總線(xiàn)發(fā)射器不發(fā)送數(shù)據(jù)，正常模式接收器不接收數(shù)據(jù)，總線(xiàn)線(xiàn)路偏置到地以降低系統(tǒng)電源電流，僅低功耗接收器監(jiān)測(cè)總線(xiàn)活動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到喚醒模式（WUP）時(shí)，RXD輸出低電平，指示喚醒事件。

六、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）總線(xiàn)負(fù)載、長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量

ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總線(xiàn)的最大長(zhǎng)度和最大分支長(zhǎng)度，但通過(guò)精心設(shè)計(jì)，可增加電纜長(zhǎng)度、分支長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。TCAN1042系列收發(fā)器具有高輸入阻抗，理論上支持單總線(xiàn)段最多100個(gè)收發(fā)器，但實(shí)際應(yīng)用中需考慮信號(hào)損失、寄生負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)不平衡等因素，合理確定節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

（二）CAN終端

ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用120-Ω特性阻抗的雙絞線(xiàn)電纜，并在電纜兩端使用與特性阻抗相等的電阻進(jìn)行終端，以防止信號(hào)反射?？刹捎脴?biāo)準(zhǔn)終端或分裂終端，分裂終端可改善網(wǎng)絡(luò)的電磁發(fā)射行為。

（三）電源供應(yīng)

設(shè)備的(V{CC})輸入電源電壓范圍為4.5 V至5.5 V，部分設(shè)備的(V{IO})電源范圍為3 V至5.5 V，兩個(gè)電源輸入都需良好穩(wěn)壓。在CAN收發(fā)器的(V{CC})和(V{IO})電源端子附近應(yīng)分別放置大容量電容（通常為4.7 μF）和旁路電容（通常為0.1 μF），以減少電源電壓紋波。

（四）布局設(shè)計(jì)

• 保護(hù)和濾波電路應(yīng)靠近總線(xiàn)連接器，防止瞬變、ESD和噪聲進(jìn)入電路板。可使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）設(shè)備和總線(xiàn)濾波電容，必要時(shí)可在CANH和CANL線(xiàn)上放置共模扼流圈。
• 設(shè)計(jì)總線(xiàn)保護(hù)組件時(shí)應(yīng)遵循信號(hào)路徑方向，避免瞬態(tài)電流偏離信號(hào)路徑。
• 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。
• 總線(xiàn)終端可采用分裂終端，提供共模濾波功能。
• 為限制數(shù)字線(xiàn)路的電流，可使用串聯(lián)電阻，但不是必需的。

七、總結(jié)

TCAN1042-Q1系列CAN收發(fā)器以其高速通信能力、出色的EMC性能、多重保護(hù)功能和低功耗待機(jī)模式，為汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域的CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇型號(hào)，并注意總線(xiàn)負(fù)載、終端、電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)等要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用TCAN1042系列收發(fā)器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。