TCAN1042-Q1系列汽車類CAN收發(fā)器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

在汽車電子領(lǐng)域，可靠的通信是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。CAN（Controller Area Network）總線作為一種廣泛應(yīng)用的通信協(xié)議，其收發(fā)器的性能直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和效率。今天，我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（TI）的TCAN1042-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、特性剖析

1. 汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與兼容性

TCAN1042-Q1系列符合AEC - Q100（等級(jí)1）標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它完全滿足汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求。同時(shí)，它還符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)，為汽車網(wǎng)絡(luò)通信提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，該系列還提供功能安全相關(guān)文檔，有助于工程師進(jìn)行功能安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2. “Turbo”CAN技術(shù)

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。這種高速數(shù)據(jù)傳輸能力得益于其較短的對(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)速率。

3. 出色的EMC性能

該系列支持SAE J2962 - 2和IEC 62228 - 3（最高500kbps）標(biāo)準(zhǔn)，并且在這些速率下無(wú)需共模扼流圈，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本。

4. 寬I/O電壓范圍與理想無(wú)源行為

I/O電壓范圍支持3.3V和5V MCU，具有良好的兼容性。在未供電時(shí)，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)，無(wú)負(fù)載，且在總線和RXD輸出上實(shí)現(xiàn)上電/斷電無(wú)干擾運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5. 全面的保護(hù)特性

• ESD保護(hù)：IEC ESD保護(hù)高達(dá)±15kV，有效防止靜電對(duì)器件的損壞。
• 總線故障保護(hù)：非H型號(hào)的總線故障保護(hù)為±58V，H型號(hào)則達(dá)到±70V，增強(qiáng)了器件在惡劣環(huán)境下的可靠性。
• 欠壓保護(hù)：$V_{CC}$和VIO（僅限V型號(hào)）電源終端具有欠壓保護(hù)功能，確保器件在電壓不穩(wěn)定時(shí)的正常工作。
• 驅(qū)動(dòng)器顯性超時(shí)（TXD DTO）：數(shù)據(jù)速率低至10kbps時(shí)仍能正常工作，防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)阻塞。
• 熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）：當(dāng)結(jié)溫超過(guò)閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)器件不受過(guò)熱損壞。

6. 其他特性

接收器共模輸入電壓范圍為±30V，典型循環(huán)延遲為110ns，結(jié)溫范圍為 – 55°C至150°C，采用SOIC (8)封裝和無(wú)引線VSON (8)封裝（3.0mm x 3.0mm），提高了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）能力。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 汽車和運(yùn)輸

該系列器件適用于所有高負(fù)載CAN網(wǎng)絡(luò)，包括重型機(jī)械ISOBUS應(yīng)用（ISO 11783）、針對(duì)汽車應(yīng)用的SAE J2284高速CAN、GMW3122雙線制CAN物理層等，并且符合SAE J2962、GIFT/ICT、ISO16845的要求。

三、器件說(shuō)明

1. 標(biāo)準(zhǔn)與速率

這款CAN收發(fā)器系列符合ISO1189 - 2 (2016)高速CAN物理層標(biāo)準(zhǔn)，所有器件均設(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)高達(dá)5Mbps的數(shù)據(jù)速率，而帶有“V”后綴的器件配有提供I/O電平的輔助電源輸入，用于設(shè)置輸入引腳閾值和RXD輸出電平。

2. 低功耗與保護(hù)特性

該系列具備低功耗待機(jī)模式及遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求特性，所有器件都提供多種保護(hù)特性，如上述提到的ESD保護(hù)、總線故障保護(hù)等，提高了器件和網(wǎng)絡(luò)的耐用性。

3. 器件信息

注：如需了解所有可用封裝，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)表末尾的可訂購(gòu)產(chǎn)品附錄。

四、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

規(guī)定了器件在不同參數(shù)下的最大和最小工作范圍，如$V{CC}$、$V{IO}$、$V{BUS}$等電壓范圍，以及$I{O(RXD)}$、$T{J}$、$T{STG}$等電流和溫度范圍。超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

2. ESD額定值

包括人體模型（HBM）、帶電設(shè)備模型（CDM）、機(jī)器模型（MM）等不同測(cè)試條件下的ESD等級(jí)，以及系統(tǒng)級(jí)ESD和電氣快速瞬變（EFT）測(cè)試結(jié)果，確保器件在靜電環(huán)境下的可靠性。

3. 推薦工作條件

給出了$V{CC}$、$V{IO}$等電源電壓的推薦范圍，以及RXD終端的高低電平輸出電流范圍，以保證器件在最佳狀態(tài)下工作。

4. 熱信息

提供了不同封裝形式下的熱阻參數(shù)，如$R{JA}$（結(jié)到空氣熱阻）、$R{JB}$（結(jié)到板熱阻）等，以及熱關(guān)斷溫度和熱關(guān)斷滯后溫度，幫助工程師進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

5. 功率額定值

給出了不同測(cè)試條件下的平均功率耗散，如在典型CAN工作條件和高負(fù)載CAN工作條件下的功率消耗，為電源設(shè)計(jì)提供參考。

6. 電氣特性

詳細(xì)描述了器件在不同工作模式下的電氣參數(shù)，如5 - V供電電流、IO供電電流、欠壓檢測(cè)電壓、輸入輸出電壓和電流等，是工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估的重要依據(jù)。

7. 開(kāi)關(guān)特性

包括總環(huán)路延遲、模式切換時(shí)間、濾波時(shí)間等開(kāi)關(guān)參數(shù)，反映了器件的動(dòng)態(tài)性能。

8. 典型特性

通過(guò)圖表展示了$V{OD(D)}$隨溫度、$I{CC}$隱性電流隨溫度、總環(huán)路延遲隨溫度等典型特性，幫助工程師了解器件在不同溫度下的性能變化。

五、參數(shù)測(cè)量信息

文檔中提供了各種參數(shù)的測(cè)試電路和測(cè)量方法，如驅(qū)動(dòng)器測(cè)試電路、接收器測(cè)試電路、模式切換時(shí)間測(cè)試電路等，為工程師進(jìn)行實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證提供了詳細(xì)的指導(dǎo)。

六、詳細(xì)描述

1. TXD顯性超時(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)間保持顯性狀態(tài)而阻塞網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)TXD出現(xiàn)下降沿時(shí)，DTO電路定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，若在超時(shí)時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)上升沿，則禁用CAN總線驅(qū)動(dòng)器，釋放總線供其他節(jié)點(diǎn)通信。當(dāng)TXD出現(xiàn)隱性信號(hào)時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器重新激活。

2. 熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)器件結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值時(shí)，關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)電路，防止器件過(guò)熱損壞。當(dāng)結(jié)溫下降到閾值以下一定程度時(shí)，關(guān)閉條件解除。

3. 欠壓鎖定

$V{CC}$或$V{IO}$電源終端出現(xiàn)欠壓事件時(shí)，器件進(jìn)入保護(hù)模式，保護(hù)總線不受影響。不同器件在欠壓情況下的狀態(tài)和輸出有所不同，具體可參考文檔中的表格。

4. 未供電設(shè)備

器件在未供電時(shí)對(duì)CAN總線呈現(xiàn)“理想無(wú)源”狀態(tài)，總線和邏輯引腳的漏電流極低，避免對(duì)總線和其他電路造成負(fù)載。

5. 浮動(dòng)終端

關(guān)鍵終端具有內(nèi)部上拉電阻，確保在終端浮空時(shí)器件處于已知狀態(tài)。TXD和STB引腳內(nèi)部上拉到$V{CC}$或$V{IO}$，但在瞬態(tài)或嘈雜環(huán)境下，可能需要額外的外部偏置。

6. CAN總線短路電流限制

器件具有驅(qū)動(dòng)器電流限制和TXD顯性狀態(tài)超時(shí)保護(hù)功能，可限制CAN總線短路時(shí)的電流。通過(guò)計(jì)算平均短路電流，工程師可以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

• 無(wú)“V”后綴的器件：由單一5 - V電源供電，數(shù)字輸入具有TTL輸入閾值，與5V和3.3V兼容，RXD輸出驅(qū)動(dòng)到$V{CC}$。TXD和STB引腳內(nèi)部上拉到$V{CC}$。
• 有“V”后綴的器件：使用5V $V{CC}$電源為CAN驅(qū)動(dòng)和高速接收器模塊供電，同時(shí)具有用于I/O電平轉(zhuǎn)換的$V{IO}$電源，用于設(shè)置TXD和RXD的輸入輸出閾值。

8. 器件功能模式

器件主要有正常模式和待機(jī)模式兩種工作模式，通過(guò)STB輸入終端進(jìn)行選擇。

• 正常模式：STB為低電平時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器和接收器完全工作，實(shí)現(xiàn)雙向CAN通信。
• 待機(jī)模式：STB為高電平時(shí)，總線發(fā)射器停止發(fā)送數(shù)據(jù)，正常模式接收器停止接收數(shù)據(jù)，只有低功耗接收器監(jiān)測(cè)總線活動(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。

9. 驅(qū)動(dòng)器和接收器功能表

詳細(xì)列出了不同輸入條件下驅(qū)動(dòng)器和接收器的輸出狀態(tài)，幫助工程師理解器件的工作原理。

七、應(yīng)用信息

1. 典型應(yīng)用配置

該系列CAN收發(fā)器通常與包含CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的主機(jī)微處理器或FPGA一起使用，文檔中給出了5V和3.3V微處理器應(yīng)用的典型配置示例。

2. 設(shè)計(jì)要求

• 總線負(fù)載、長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量：ISO 11898 - 2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大總線長(zhǎng)度和最大分支長(zhǎng)度，但通過(guò)精心設(shè)計(jì)，可延長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度、增加分支長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。TCAN1042系列具有高輸入阻抗，理論上支持多達(dá)100個(gè)收發(fā)器在單總線網(wǎng)段上工作，但實(shí)際應(yīng)用中需考慮信號(hào)損失、寄生負(fù)載等因素。
• CAN終端：使用與電纜特性阻抗相等的電阻對(duì)電纜兩端進(jìn)行終端匹配，可防止信號(hào)反射。若需要對(duì)總線共模電壓進(jìn)行濾波和穩(wěn)定，可采用分裂終端。

3. 應(yīng)用曲線

文檔中給出了$I{CC}$顯性電流隨$V{CC}$電源電壓變化的曲線，幫助工程師了解器件在不同電源電壓下的電流消耗。

八、電源供應(yīng)建議

器件設(shè)計(jì)工作在$V{CC}$輸入電源電壓范圍為4.5V至5.5V，部分器件的$V{IO}$電源輸入范圍為3V至5.5V。兩個(gè)電源輸入都需要良好的穩(wěn)壓，建議在CAN收發(fā)器的$V{CC}$和$V{IO}$電源終端附近分別放置大容量電容和旁路電容，以減少電源電壓紋波。

九、布局指南

1. 保護(hù)和濾波電路

將保護(hù)和濾波電路盡可能靠近總線連接器放置，可防止瞬變、ESD和噪聲進(jìn)入電路板?？墒褂盟矐B(tài)電壓抑制（TVS）器件、總線濾波電容和共模扼流圈等進(jìn)行保護(hù)。

2. 電源和接地平面

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。

3. 過(guò)孔和電容放置

旁路和大容量電容應(yīng)盡可能靠近收發(fā)器的電源終端放置，使用至少兩個(gè)過(guò)孔連接旁路電容和保護(hù)器件，以減少走線和過(guò)孔的電感。

4. 總線終端

采用分裂終端可提供總線共模濾波，放置終端時(shí)需確保在節(jié)點(diǎn)移除時(shí)仍有兩個(gè)終端存在于網(wǎng)絡(luò)中。

5. 數(shù)字線路限流

可使用串聯(lián)電阻限制數(shù)字線路的電流，但不是必需的。

6. 引腳處理

對(duì)于不同引腳，如TXD、$V_{IO}$、STB等，根據(jù)器件型號(hào)和應(yīng)用需求進(jìn)行適當(dāng)處理。

十、器件和文檔支持

1. 接收文檔更新通知

可在ti.com上的器件產(chǎn)品文件夾中訂閱更新，每周接收產(chǎn)品信息更改摘要。

2. 支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解答和設(shè)計(jì)幫助的重要途徑。

3. 靜電放電注意事項(xiàng)

該集成電路可能會(huì)受到ESD損壞，處理時(shí)需采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

4. 術(shù)語(yǔ)表

文檔中提供了術(shù)語(yǔ)、首字母縮略詞和定義的解釋，方便工程師理解文檔內(nèi)容。

十一、機(jī)械、封裝和可訂購(gòu)信息

詳細(xì)列出了不同型號(hào)器件的封裝形式、引腳數(shù)量、包裝數(shù)量、RoHS合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL等級(jí)/峰值回流溫度、工作溫度范圍和部件標(biāo)記等信息，為工程師進(jìn)行采購(gòu)和生產(chǎn)提供了詳細(xì)的參考。

總之，TCAN1042 - Q1系列汽車類CAN收發(fā)器以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和詳細(xì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，為汽車電子工程師提供了一個(gè)可靠、高效的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇器件型號(hào)，精心設(shè)計(jì)電路和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用這款收發(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(jiàn)解。