汽車(chē)級(jí)CAN FD收發(fā)器TCAN1044AEV-Q1：技術(shù)解析與應(yīng)用指南

在汽車(chē)電子領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)作為一種廣泛應(yīng)用的通信協(xié)議，對(duì)于實(shí)現(xiàn)車(chē)輛各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互至關(guān)重要。而CAN收發(fā)器則是CAN總線(xiàn)通信的核心部件，它負(fù)責(zé)將控制器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在CAN總線(xiàn)上傳輸?shù)牟罘?a target="_blank">信號(hào)，以及將總線(xiàn)上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號(hào)供控制器處理。今天，我們就來(lái)詳細(xì)解析一款具有1.8V I/O支持功能的0級(jí)故障保護(hù)CAN FD收發(fā)器——TCAN1044AEV-Q1。

文件下載：tcan1044aev-q1.pdf

一、器件概述

TCAN1044AEV-Q1是德州儀器（Texas Instruments）推出的一款高速CAN收發(fā)器，完全符合面向汽車(chē)應(yīng)用的AEC-Q100（0級(jí)）標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足ISO 11898-2:2016高速CAN規(guī)范物理層要求。該器件具有出色的電磁兼容性（EMC），支持傳統(tǒng)CAN和經(jīng)優(yōu)化的CAN FD性能，數(shù)據(jù)速率低至9.2kbps，最高可達(dá)8Mbps，非常適合汽車(chē)和運(yùn)輸領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

二、特性亮點(diǎn)

2.1 廣泛的標(biāo)準(zhǔn)兼容性

• 符合ISO 11898-2:2016物理層標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)支持ISO 11898-5:2007、SAE J2284等多種CAN和CAN FD標(biāo)準(zhǔn)，為不同的汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景提供了強(qiáng)大的兼容性。
• 滿(mǎn)足IEC 62228-3、VeLIO、SAE J2962-2等EMC要求，確保在復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作。

2.2 豐富的保護(hù)特性

• 具備總線(xiàn)故障保護(hù)（±58V）、欠壓保護(hù)、熱關(guān)斷（TSD）、TXD顯性超時(shí)（DTO）等多種保護(hù)功能，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
• 在電源欠壓或浮動(dòng)引腳情況下，定義了明確的失效防護(hù)行為，保障系統(tǒng)在異常情況下的安全運(yùn)行。

2.3 靈活的I/O電壓支持

通過(guò)$V_{IO}$引腳實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯電平轉(zhuǎn)換功能，允許將收發(fā)器I/O直接連接到1.8V、2.5V、3.3V或5V邏輯電平，無(wú)需額外的電平轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.4 低功耗待機(jī)模式

支持低功耗待機(jī)模式，可通過(guò)符合ISO 11898-2:2016所定義喚醒模式（WUP）的CAN總線(xiàn)喚醒，在降低系統(tǒng)功耗的同時(shí)，確保系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件。

2.5 優(yōu)化的封裝設(shè)計(jì)

提供8引腳SOIC和小型SOT-23封裝，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)空間的要求。同時(shí)，優(yōu)化了未上電時(shí)的性能，總線(xiàn)和邏輯引腳為高阻抗，支持熱插拔，實(shí)現(xiàn)上電/斷電無(wú)干擾運(yùn)行。

三、引腳配置與功能

四、電氣特性與性能參數(shù)

4.1 絕對(duì)最大額定值

4.2 ESD額定值

靜電放電（ESD）是電子器件常見(jiàn)的失效原因之一。TCAN1044AEV-Q1具有良好的ESD防護(hù)能力，其HBM（人體模型）和CDM（帶電器件模型）等級(jí)分別為：

• HBM：所有引腳為±4000V（3A類(lèi)），CANH和CANL相對(duì)于GND為±10000V（3B類(lèi)）
• CDM：所有引腳為±750V（C5類(lèi)）

4.3 推薦工作條件

4.4 其他特性參數(shù)

除了上述參數(shù)外，文檔還詳細(xì)介紹了TCAN1044AEV-Q1的熱特性、電源特性、耗散額定值、電氣特性和開(kāi)關(guān)特性等參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于深入了解器件的性能和進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

五、功能描述與工作模式

5.1 CAN總線(xiàn)狀態(tài)

CAN總線(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中有兩種邏輯狀態(tài)：隱性（Recessive）和顯性（Dominant）。顯性狀態(tài)對(duì)應(yīng)TXD和RXD引腳的邏輯低電平，隱性狀態(tài)對(duì)應(yīng)邏輯高電平。在仲裁過(guò)程中，顯性狀態(tài)會(huì)覆蓋隱性狀態(tài)。此外，TCAN1044AEV-Q1還支持低功耗待機(jī)（STB）模式，在此模式下，總線(xiàn)引腳通過(guò)接收器的高阻值內(nèi)部電阻弱偏置到地。

5.2 TXD顯性超時(shí)（DTO）

在正常模式下，當(dāng)TXD引腳保持顯性狀態(tài)超過(guò)$t_{TXD_DTO }$（1.2ms至4.0ms）時(shí)，TXD DTO電路會(huì)觸發(fā)，禁用CAN驅(qū)動(dòng)器，以防止本地節(jié)點(diǎn)因硬件或軟件故障而阻塞網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)TXD引腳出現(xiàn)隱性信號(hào)時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器重新激活。

5.3 CAN總線(xiàn)短路電流限制

該器件具有多種保護(hù)功能，可限制CAN總線(xiàn)短路時(shí)的短路電流。在選擇CAN設(shè)計(jì)的終端電阻或共模扼流圈時(shí)，應(yīng)考慮平均短路電流$I{OS(AVG)}$，其計(jì)算公式為： $I{OS(AVG)} = %Transmit times [(%RECBits times I{OS(SS)_REC}) + (%DOMBits times I{OS(SS)_DOM})]$

5.4 熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)器件的結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值$T{TSD}$（175°C至210°C）時(shí)，器件會(huì)關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)器電路，阻止TXD到總線(xiàn)的傳輸路徑。當(dāng)結(jié)溫下降到$T{TSD}$以下時(shí)，關(guān)斷條件解除。

5.5 欠壓鎖定

$V{CC}$和$V{IO}$引腳具有欠壓檢測(cè)功能，當(dāng)任一電源引腳出現(xiàn)欠壓事件時(shí)，器件會(huì)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，以保護(hù)總線(xiàn)。具體的器件狀態(tài)和總線(xiàn)表現(xiàn)如下表所示：

5.6 工作模式

TCAN1044AEV-Q1具有兩種主要工作模式：正常模式和待機(jī)模式，通過(guò)STB引腳的高低電平進(jìn)行選擇。

• 正常模式：CAN驅(qū)動(dòng)器和接收器完全工作，CAN通信雙向進(jìn)行。
• 待機(jī)模式：低功耗模式，CAN驅(qū)動(dòng)器和主接收器關(guān)閉，雙向CAN通信不可用。低功耗接收器和總線(xiàn)監(jiān)控電路啟用，允許通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行RXD喚醒請(qǐng)求。

六、應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)建議

6.1 典型應(yīng)用

TCAN1044AEV-Q1可用于與包含CAN協(xié)議鏈路層部分的主機(jī)控制器或FPGA配合的應(yīng)用中，如車(chē)身控制模塊、汽車(chē)網(wǎng)關(guān)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、信息娛樂(lè)系統(tǒng)等。

6.2 設(shè)計(jì)要求

• CAN終端：終端可以是總線(xiàn)兩端的單個(gè)120Ω電阻，也可以采用分裂終端以過(guò)濾和穩(wěn)定總線(xiàn)的共模電壓，提高網(wǎng)絡(luò)的電磁發(fā)射性能。
• 總線(xiàn)負(fù)載、長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量：典型的CAN應(yīng)用最大總線(xiàn)長(zhǎng)度為40米，最大分支長(zhǎng)度為0.3米。但通過(guò)精心設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以延長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度和增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量。TCAN1044AEV-Q1具有較高的輸入阻抗，理論上支持單個(gè)總線(xiàn)段上超過(guò)100個(gè)收發(fā)器，但實(shí)際應(yīng)用中需要考慮信號(hào)損失、寄生負(fù)載、時(shí)序等因素。

6.3 電源供應(yīng)建議

建議使用電壓范圍在4.5V至5.5V的$V{CC}$電源和1.8V至5.5V的$V{IO}$電源，并且兩個(gè)電源輸入都要進(jìn)行良好的穩(wěn)壓和濾波。在CAN收發(fā)器的$V{CC}$和$V{IO}$電源引腳附近應(yīng)放置一個(gè)典型值為100nF的去耦電容。

6.4 PCB布局建議

為了確保CAN節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)健和可靠設(shè)計(jì)，在PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)采用高頻布局技術(shù)，具體建議如下：

• 將保護(hù)和濾波電路靠近總線(xiàn)連接器放置，防止瞬態(tài)、ESD和噪聲傳播到電路板上。
• 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)電流繞過(guò)保護(hù)器件。
• 去耦電容應(yīng)盡可能靠近收發(fā)器的$V{CC}$和$V{IO}$電源引腳，并使用至少兩個(gè)過(guò)孔進(jìn)行電源和接地連接，以減少走線(xiàn)和過(guò)孔的電感。

七、總結(jié)

TCAN1044AEV-Q1作為一款高性能的汽車(chē)級(jí)CAN FD收發(fā)器，憑借其廣泛的標(biāo)準(zhǔn)兼容性、豐富的保護(hù)特性、靈活的I/O電壓支持和低功耗待機(jī)模式等優(yōu)點(diǎn)，為汽車(chē)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇器件的工作模式、配置電源和進(jìn)行PCB布局，以充分發(fā)揮器件的性能優(yōu)勢(shì)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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