TCAN1051-Q1：汽車類 CAN 收發(fā)器的卓越之選

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)通信的主流選擇。而 CAN 收發(fā)器作為 CAN 總線與微控制器之間的橋梁，其性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信效率。今天，我們就來(lái)深入了解一下德州儀器（TI）推出的 TCAN1051-Q1 系列具有 CAN FD 和故障保護(hù)功能的汽車類 CAN 收發(fā)器。

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一、特性亮點(diǎn)

1. 汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與兼容性

TCAN1051-Q1 系列完全符合 AEC Q100 標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它能夠滿足汽車應(yīng)用在溫度、靜電放電（ESD）等方面的嚴(yán)格要求。其溫度等級(jí) 1 覆蓋了 -40°C 至 125°C 的范圍，HBM 分級(jí)等級(jí)達(dá)到 ±16kV，CDM 分級(jí)等級(jí)為 ±1500V，確保了在惡劣環(huán)境下的可靠運(yùn)行。同時(shí)，該系列還符合 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理層標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的兼容性支持。

2. 高速數(shù)據(jù)傳輸能力

“Turbo”CAN 技術(shù)是該系列的一大特色。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)的器件更是支持高達(dá) 5Mbps 的數(shù)據(jù)速率。此外，它具有較短的對(duì)稱傳播延遲時(shí)間和快速循環(huán)次數(shù)，能夠有效增加時(shí)序裕量，在有負(fù)載的 CAN 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。

3. 出色的 EMC 性能

在電磁兼容性（EMC）方面，TCAN1051-Q1 系列表現(xiàn)卓越。它支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3 標(biāo)準(zhǔn)，在最高 500kbps 的數(shù)據(jù)速率下無(wú)需共模扼流圈，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4. 寬 I/O 電壓范圍與理想無(wú)源行為

該系列的 I/O 電壓范圍支持 3.3V 和 5V MCU，為不同的微控制器提供了靈活的接口選擇。在未供電時(shí)，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)了理想的無(wú)源行為，避免了對(duì)總線的負(fù)載影響，同時(shí)在總線和 RXD 輸出上實(shí)現(xiàn)了上電/斷電無(wú)干擾運(yùn)行。

5. 全面的保護(hù)特性

為了確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，TCAN1051-Q1 系列具備多種保護(hù)特性。IEC ESD 保護(hù)高達(dá) ±15kV，總線故障保護(hù)可達(dá) ±58V（非 H 型號(hào)）和 ±70V（H 型號(hào)），$V{CC}$ 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）功能可防止總線阻塞，熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）可在溫度過(guò)高時(shí)自動(dòng)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器，接收器共模輸入電壓范圍為 ±30V，有效提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TCAN1051-Q1 系列適用于多種汽車和運(yùn)輸應(yīng)用，尤其在高負(fù)載 CAN 網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出色。它還可用于重型機(jī)械的 ISOBUS 應(yīng)用，滿足 ISO 11783 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

三、器件說(shuō)明

該系列 CAN 收發(fā)器符合 ISO1189-2 (2016) 高速 CAN 物理層標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)速率高達(dá) 2Mbps 的 CAN FD 網(wǎng)絡(luò)。帶有“G”后綴的器件旨在實(shí)現(xiàn)更高的 5Mbps 數(shù)據(jù)速率，而帶有“V”后綴的器件則配備了輔助電源輸入，用于設(shè)置輸入引腳閾值和 RXD 輸出電平。此外，該系列還具有靜音模式（僅偵聽模式），為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

四、引腳配置與功能

TCAN1051-Q1 系列采用 SOIC (8) 封裝和無(wú)引線 VSON (8) 封裝（3.0mm x 3.0mm），具有改進(jìn)的自動(dòng)光學(xué)檢查（AOI）功能。不同的引腳配置適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，例如引腳 5 的功能在不含 V 后綴的器件上為無(wú)連接（NC）引腳，在包含 V 后綴的器件上為用于 I/O 電平轉(zhuǎn)換的 $V_{IO}$ 引腳。

五、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

該系列器件在不同的電壓和溫度條件下具有明確的絕對(duì)最大額定值，例如 5-V 總線電源電壓范圍為 -0.3V 至 7V，CAN 總線 I/O 電壓范圍根據(jù)不同型號(hào)有所不同，非 H 型號(hào)為 -58V 至 58V，H 型號(hào)為 -70V 至 70V 等。這些參數(shù)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了安全邊界，確保器件在正常工作時(shí)不會(huì)受到損壞。

2. ESD 評(píng)級(jí)

在靜電放電保護(hù)方面，該系列器件表現(xiàn)出色。不同封裝（D (SOIC) 和 DRB (VSON)）的所有終端在 Human Body Model (HBM) 下的 ESD 應(yīng)力電壓為 ±6000V，CAN 總線終端（CANH, CANL）到 GND 的 HBM ESD 應(yīng)力電壓高達(dá) ±16000V，Charged Device Model (CDM) ESD 應(yīng)力電壓為 ±1500V，Machine Model 下所有終端為 ±200V。

3. 推薦工作條件

為了確保器件的最佳性能，推薦的工作條件包括 5-V 總線電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，IO 電平轉(zhuǎn)換電壓范圍為 2.8V 至 5.5V 等。在這些條件下，器件能夠穩(wěn)定運(yùn)行，提供可靠的通信性能。

4. 熱信息

熱信息對(duì)于器件的散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。該系列器件的熱阻參數(shù)包括結(jié)到空氣熱阻、結(jié)到板熱阻、結(jié)到殼（頂部）熱阻等，同時(shí)還給出了熱關(guān)斷溫度和熱關(guān)斷滯后溫度等參數(shù)，為系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)提供了參考。

5. 功率額定值

在不同的測(cè)試條件下，器件的平均功率耗散有所不同。例如，在典型的 CAN 操作條件下，平均功率耗散為 52mW，而在高負(fù)載條件下，功率耗散可達(dá) 124mW。了解這些功率額定值有助于合理設(shè)計(jì)電源和散熱系統(tǒng)。

6. 電氣特性

電氣特性涵蓋了器件在不同工作模式下的各種參數(shù)，如 5-V 電源電流、I/O 電源電流、輸入輸出電壓閾值、輸入輸出電流等。這些參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)和性能評(píng)估具有重要意義。

7. 開關(guān)特性

開關(guān)特性包括總環(huán)路延遲、模式改變時(shí)間、傳播延遲時(shí)間、脈沖偏斜、信號(hào)上升和下降時(shí)間等。這些參數(shù)直接影響著器件的通信速度和響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于高速 CAN 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

8. 典型特性

典型特性通過(guò)圖表的形式展示了器件在不同溫度、電壓等條件下的性能變化，如 $V{OD(D)}$ 隨溫度和 $V{CC}$ 的變化、$I_{CC}$ 隱性電流隨溫度的變化等。這些圖表有助于工程師更好地了解器件的性能特點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

六、詳細(xì)描述

1. TXD 顯性超時(shí)（DTO）

TXD DTO 電路是該系列器件的一項(xiàng)重要保護(hù)功能。在正常模式下，當(dāng) TXD 保持顯性狀態(tài)的時(shí)間超過(guò)預(yù)設(shè)的超時(shí)時(shí)間 $t_{TXDDTO}$ 時(shí)，DTO 電路會(huì)自動(dòng)禁用 CAN 總線驅(qū)動(dòng)器，釋放總線以便其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。當(dāng) TXD 檢測(cè)到隱性信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)重新激活。需要注意的是，TXD DTO 電路允許的最小顯性 TXD 時(shí)間會(huì)限制器件的最小可能傳輸數(shù)據(jù)速率，可通過(guò)公式 Minimum Data Rate = 11 / $t{TXD_DTO}$ 進(jìn)行計(jì)算。

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)，器件會(huì)自動(dòng)關(guān)閉 CAN 驅(qū)動(dòng)器電路，阻止 TXD 到總線的傳輸路徑。在熱關(guān)斷期間，CAN 總線終端被偏置到隱性電平，接收器到 RXD 的路徑仍然保持工作。當(dāng)結(jié)溫下降到低于熱關(guān)斷閾值至少熱關(guān)斷滯后溫度 $T{TSD_HYS}$ 時(shí)，關(guān)斷條件會(huì)被清除。

3. 欠壓鎖定

該系列器件的電源終端具有欠壓檢測(cè)功能，當(dāng) $V{CC}$ 或 $V{IO}$ 電源電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，器件會(huì)進(jìn)入保護(hù)模式，保護(hù)總線不受影響。不同后綴的器件在欠壓鎖定時(shí)的表現(xiàn)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)，其總線終端（CANH, CANL）和邏輯終端具有極低的泄漏電流，避免了對(duì)總線和其他電路的負(fù)載影響。這一特性在網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)未供電而其他節(jié)點(diǎn)仍在運(yùn)行的情況下尤為重要。

5. 浮動(dòng)終端

為了確保器件在終端浮動(dòng)時(shí)能夠進(jìn)入已知狀態(tài)，該系列器件在關(guān)鍵終端上設(shè)置了內(nèi)部上拉電阻。例如，TXD 終端被上拉到 $V{CC}$ 或 $V{IO}$，S 終端被下拉到 GND，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6. CAN 總線短路電流限制

在 CAN 總線發(fā)生短路故障時(shí)，器件具有兩種保護(hù)特性來(lái)限制短路電流：驅(qū)動(dòng)器電流限制和 TXD 顯性狀態(tài)超時(shí)。總線的短路電流取決于隱性和顯性位的比例及其各自的短路電流，可通過(guò)公式 $I_{OS(AVG)} = %Transmit times [(%DOMBits times I{OS(SS)_DOM}) + (%RECBits times I{OS(SS)REC})] + [%Receive times I{OS(SS)_REC}]$ 計(jì)算平均短路電流。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮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。

7. 數(shù)字輸入和輸出

對(duì)于 5-V $V{CC}$ 僅供電的器件，其數(shù)字輸入具有 TTL 輸入閾值，與 5V 和 3.3V 微控制器兼容。RXD 輸出在邏輯高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)到 $V{CC}$ 軌，TXD 引腳內(nèi)部上拉到 $V{CC}$，S 引腳下拉到 GND。而對(duì)于帶有“V”后綴的器件，使用 5V $V{CC}$ 電源為 CAN 驅(qū)動(dòng)器和高速接收器供電，并通過(guò) $V_{IO}$ 進(jìn)行 I/O 電平轉(zhuǎn)換。

8. 器件功能模式

TCAN1051-Q1 系列器件具有兩種主要的工作模式：正常模式和靜音模式，可通過(guò) S 輸入終端進(jìn)行選擇。在正常模式下，CAN 驅(qū)動(dòng)器和接收器均處于啟用狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雙向通信；在靜音模式下，CAN 驅(qū)動(dòng)器被禁用，接收器仍然工作，僅接收總線數(shù)據(jù)。

七、應(yīng)用信息

1. 設(shè)計(jì)要求

在 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，需要考慮總線負(fù)載、長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量等因素。ISO 11898-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大總線長(zhǎng)度和最大分支長(zhǎng)度，但通過(guò)合理設(shè)計(jì)，可以延長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度、增加分支長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。TCAN1051 系列收發(fā)器具有高輸入阻抗，理論上支持在單個(gè)總線段上連接多達(dá) 100 個(gè)收發(fā)器，但在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮信號(hào)損失、寄生負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)不平衡等因素，合理確定節(jié)點(diǎn)數(shù)量和數(shù)據(jù)速率。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)程序

CAN 終端

ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 CAN 總線應(yīng)使用特性阻抗為 120Ω 的雙絞線電纜，并在電纜兩端使用與特性阻抗相等的電阻進(jìn)行終端匹配，以防止信號(hào)反射。未終端的分支線應(yīng)盡量短，以減少信號(hào)反射的影響。終端電阻可以位于電纜上或節(jié)點(diǎn)中，但如果節(jié)點(diǎn)可能從總線上移除，需要確保網(wǎng)絡(luò)中始終存在兩個(gè)終端。

3. 典型應(yīng)用

該系列器件適用于各種 CAN 總線應(yīng)用，如汽車電子、工業(yè)控制等。在典型應(yīng)用中，需要合理設(shè)計(jì)電源、濾波和保護(hù)電路，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

八、電源供應(yīng)建議

TCAN1051-Q1 系列器件的 $V{CC}$ 輸入電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，部分器件的 $V{IO}$ 輸出電平轉(zhuǎn)換電源輸入范圍為 3V 至 5.5V。為了保證器件的穩(wěn)定運(yùn)行，兩個(gè)電源輸入都需要進(jìn)行良好的穩(wěn)壓。建議在 CAN 收發(fā)器的主 $V{CC}$ 電源輸出附近放置一個(gè)大容量電容（通常為 4.7μF），并在 $V{CC}$ 和 $V_{IO}$ 電源終端附近放置一個(gè)旁路電容（通常為 0.1μF），以減少電源電壓紋波和補(bǔ)償 PCB 電源平面和走線的電阻和電感。

九、布局建議

1. 布局指南

在 PCB 設(shè)計(jì)中，合理的布局對(duì)于減少干擾和提高系統(tǒng)性能至關(guān)重要。建議將保護(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。使用 TVS 二極管和總線濾波電容時(shí)，應(yīng)將它們放置在靠近板上連接器的位置，避免噪聲瞬態(tài)事件進(jìn)一步傳播到 PCB 和系統(tǒng)中。同時(shí)，應(yīng)使用電源和接地平面提供低電感路徑，確保高頻電流能夠沿著阻抗最小的路徑流動(dòng)。

2. 布局示例

提供的布局示例展示了如何合理安排各個(gè)組件，包括 TVS 器件、總線濾波電容、終端電阻等。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整，但需要遵循布局指南的基本原則。

十、器件和文檔支持

TI 為 TCAN1051-Q1 系列器件提供了豐富的開發(fā)工具和文檔支持。工程師可以通過(guò) ti.com 網(wǎng)站獲取相關(guān)文檔，并訂閱文檔更新通知。此外，TI E2E? 支持論壇為工程師提供了一個(gè)獲取快速、準(zhǔn)確答案和設(shè)計(jì)幫助的平臺(tái)。

十一、機(jī)械、封裝和可訂購(gòu)信息

該系列器件提供了多種封裝選項(xiàng)，如 SOIC (8) 和無(wú)引線 VSON (8) 封裝。不同的封裝在尺寸、引腳配置等方面有所不同，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。同時(shí)，文檔中還提供了詳細(xì)的可訂購(gòu)信息，包括訂單號(hào)、狀態(tài)、材料類型、包裝數(shù)量、RoHS 合規(guī)性等，方便工程師進(jìn)行采購(gòu)。

總之，TCAN1051-Q1 系列汽車類 CAN 收發(fā)器以其豐富的特性、出色的性能和全面的保護(hù)功能，為汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域的 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可靠的解決方案。希望通過(guò)本文的介紹，能夠幫助廣大工程師更好地了解和應(yīng)用這款優(yōu)秀的產(chǎn)品。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，仔細(xì)研究器件的規(guī)格參數(shù)和使用說(shuō)明，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用 CAN 收發(fā)器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。