汽車類 CAN 收發(fā)器 TCAN1042-Q1 系列：設(shè)計與應(yīng)用全解析

在汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線作為一種可靠的通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。而 CAN 收發(fā)器則是實現(xiàn) CAN 總線通信的關(guān)鍵組件，它負(fù)責(zé)將微控制器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為適合在 CAN 總線上傳輸?shù)牟罘?a target="_blank">信號，以及將總線上的差分信號轉(zhuǎn)換回數(shù)字信號供微控制器處理。今天，我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）推出的 TCAN1042-Q1 系列汽車類 CAN 收發(fā)器。

文件下載：tcan1042v-q1.pdf

一、產(chǎn)品概述

TCAN1042-Q1 系列包括 TCAN1042-Q1、TCAN1042V-Q1、TCAN1042H-Q1、TCAN1042HV-Q1、TCAN1042G-Q1、TCAN1042GV-Q1、TCAN1042HG-Q1 和 TCAN1042HGV-Q1 等型號。該系列收發(fā)器符合 ISO11898-2 (2016) 高速 CAN 物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持經(jīng)典 CAN 和高達 2Mbps 的 CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率），其中型號包含“G”后綴的器件更是能實現(xiàn)高達 5Mbps 的數(shù)據(jù)速率。此外，該系列還具備多種保護特性，能有效提高器件和網(wǎng)絡(luò)的耐用性，非常適合汽車和運輸、重型機械等應(yīng)用場景。

二、產(chǎn)品特性

（一）汽車級認(rèn)證與標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性

該系列產(chǎn)品通過了 AEC-Q100（等級 1）認(rèn)證，符合汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求。同時，它還滿足 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理層標(biāo)準(zhǔn)，為汽車電子系統(tǒng)的可靠性提供了堅實保障。

（二）功能安全設(shè)計

提供功能安全相關(guān)文檔，可幫助工程師進行功能安全系統(tǒng)設(shè)計，降低系統(tǒng)風(fēng)險，確保在復(fù)雜環(huán)境下的可靠運行。

（三）高速數(shù)據(jù)傳輸能力

支持經(jīng)典 CAN 和 2Mbps CAN FD，“G”選項更是支持 5Mbps 的數(shù)據(jù)速率，能滿足不同應(yīng)用場景對數(shù)據(jù)傳輸速度的需求。此外，它具有較短的對稱傳播延遲時間和快速循環(huán)次數(shù)，可增加時序裕量，在有負(fù)載 CAN 網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率。

（四）優(yōu)秀的 EMC 性能

支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3（最高 500kbps）標(biāo)準(zhǔn)，無需共模扼流圈，有效降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。

（五）寬 I/O 電壓范圍

I/O 電壓范圍支持 3.3V 和 5V MCU，具有良好的兼容性，方便工程師進行系統(tǒng)設(shè)計。

（六）理想無源行為

在未供電時，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)（無負(fù)載），并在總線和 RXD 輸出上實現(xiàn)上電/斷電無干擾運行，避免對總線造成不必要的影響。

（七）多重保護特性

• ESD 保護：IEC ESD 保護高達 ±15kV，能有效抵御靜電干擾，提高產(chǎn)品的可靠性。
• 總線故障保護：非 H 型號的總線故障保護為 ±58V，H 型號則達到 ±70V，增強了產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下的抗干擾能力。
• 欠壓保護：$V_{CC}$ 和 VIO（僅限 V 型號）電源終端具有欠壓保護，確保在電源電壓不穩(wěn)定時，產(chǎn)品仍能正常工作。
• 驅(qū)動器顯性超時（TXD DTO）：數(shù)據(jù)速率低至 10kbps 時，可防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致 TXD 長時間處于顯性狀態(tài)，影響網(wǎng)絡(luò)通信。
• 熱關(guān)斷保護（TSD）：當(dāng)器件結(jié)溫超過閾值時，自動關(guān)閉 CAN 驅(qū)動電路，保護器件不受損壞。

（八）寬溫度范圍與封裝形式

結(jié)溫范圍為 –55°C 至 150°C，能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。采用 SOIC (8) 封裝和無引線 VSON (8) 封裝（3.0mm x 3.0mm），提高了自動光學(xué)檢測（AOI）能力，方便生產(chǎn)制造。

三、應(yīng)用場景

（一）汽車和運輸

適用于各種汽車電子系統(tǒng)，如發(fā)動機控制單元、車身電子、底盤控制等。支持高負(fù)載 CAN 網(wǎng)絡(luò)，滿足汽車內(nèi)部復(fù)雜的通信需求。同時，針對汽車應(yīng)用的 SAE J2284 高速 CAN、GMW3122 雙線制 CAN 物理層等標(biāo)準(zhǔn)，該系列產(chǎn)品也能很好地兼容。

（二）重型機械

在重型機械的 ISOBUS 應(yīng)用（ISO 11783）中，TCAN1042-Q1 系列收發(fā)器可實現(xiàn)可靠的通信，確保設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

四、器件信息與引腳配置

（一）器件信息

（二）引腳配置與功能

需要注意的是，對于 DRB（VSON）封裝選項，熱焊盤可連接到 GND 以優(yōu)化封裝的熱特性。

五、電氣特性與參數(shù)

（一）絕對最大額定值

（二）ESD 評級

（三）推薦工作條件

（四）熱信息與功率評級

熱信息和功率評級對于評估器件的散熱性能和功耗非常重要。該系列產(chǎn)品的熱信息包括結(jié)到空氣、結(jié)到電路板、結(jié)到外殼的熱阻等，功率評級則給出了不同測試條件下的平均功率耗散，具體數(shù)值可參考文檔中的相關(guān)表格。

（五）電氣特性與開關(guān)特性

電氣特性和開關(guān)特性描述了器件在不同工作條件下的電氣性能和開關(guān)速度。這些特性包括電源電流、輸入輸出電壓、傳播延遲時間等，對于設(shè)計 CAN 總線系統(tǒng)時的信號完整性和時序分析具有重要意義。

六、詳細(xì)功能描述

（一）TXD 顯性超時（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 長時間處于顯性狀態(tài)，影響網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng) TXD 下降沿觸發(fā) DTO 電路定時器開始計時，如果在超時時間 $t_{TXD_DTO}$ 內(nèi)未檢測到上升沿，則禁用 CAN 總線驅(qū)動器，釋放總線供其他節(jié)點通信。當(dāng) TXD 檢測到隱性信號時，CAN 驅(qū)動器重新激活。

（二）熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)器件結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值 $T{TSD}$ 時，自動關(guān)閉 CAN 驅(qū)動電路，防止器件過熱損壞。在熱關(guān)斷期間，CAN 總線終端偏置到隱性電平，接收器到 RXD 路徑仍可正常工作。當(dāng)結(jié)溫下降至少 $T{TSD_HYS}$ 后，熱關(guān)斷條件解除。

（三）欠壓鎖定

電源終端具有欠壓檢測功能，當(dāng) $V{CC}$ 或 $V{IO}$ 電源終端出現(xiàn)欠壓事件時，將器件置于保護模式，保護總線不受影響。不同型號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相關(guān)表格。

（四）未供電設(shè)備

未供電時，器件對 CAN 總線呈“理想無源”或“無負(fù)載”狀態(tài)，總線終端（CANH, CANL）的泄漏電流極低，避免對總線造成負(fù)載影響。

（五）浮動終端

關(guān)鍵終端具有內(nèi)部上拉電阻，當(dāng)終端浮空時，可將器件置于已知狀態(tài)。TXD 終端上拉到 $V{CC}$ 或 $V{IO}$，強制輸入為隱性電平；STB 終端上拉，使器件進入低功耗待機模式。

（六）CAN 總線短路電流限制

該系列產(chǎn)品具有兩種保護特性來限制 CAN 總線短路電流：驅(qū)動器電流限制（顯性和隱性狀態(tài)）和 TXD 顯性狀態(tài)超時。在 CAN 通信中，總線在顯性和隱性狀態(tài)之間切換，可根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)以及協(xié)議和物理層的相關(guān)因素確定顯性和隱性位的比例，從而計算平均短路電流。

（七）數(shù)字輸入輸出

• 無“V”后綴的器件：由單一 5V 電源供電，數(shù)字輸入具有 TTL 輸入閾值，與 5V 和 3.3V 兼容。RXD 輸出在邏輯高電平時驅(qū)動到 $V{CC}$ 總線，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)動器和高速接收器模塊供電，同時具有用于 I/O 電平轉(zhuǎn)換的 $V{IO}$ 電源。該電源用于設(shè)置 TXD 和 RXD 引腳的 CMOS 輸入閾值和高電平輸出電壓，TXD 和 STB 引腳內(nèi)部上拉到 $V_{IO}$。

（八）設(shè)備功能模式

該系列產(chǎn)品具有兩種主要工作模式：正常模式和待機模式，通過 STB 輸入終端進行選擇。

• 正常模式：STB 終端置低，CAN 驅(qū)動器和接收器完全工作，實現(xiàn)雙向 CAN 通信。
• 待機模式：STB 終端置高，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)，總線線路偏置到地，降低系統(tǒng)電源電流。只有低功耗接收器會持續(xù)監(jiān)測總線活動，當(dāng)檢測到喚醒模式（WUP）時，RXD 輸出低電平，指示有效喚醒事件。

七、應(yīng)用信息與設(shè)計建議

（一）應(yīng)用場景與設(shè)計要求

TCAN1042-Q1 系列收發(fā)器通常與包含 CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層部分的主機微處理器或 FPGA 配合使用。在設(shè)計 CAN 總線系統(tǒng)時，需要考慮總線負(fù)載、長度和節(jié)點數(shù)量等因素。ISO 11898-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大總線長度為 40m 和最大分支長度為 0.3m，但通過精心設(shè)計，可延長電纜長度和分支長度，并增加總線上的節(jié)點數(shù)量。該系列產(chǎn)品具有高輸入阻抗，理論上支持在單個總線段上最多連接 100 個收發(fā)器，但實際應(yīng)用中，為保證信號完整性和系統(tǒng)可靠性，節(jié)點數(shù)量通常會遠(yuǎn)低于此值。

（二）CAN 終端設(shè)計

ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 CAN 總線互連應(yīng)使用具有 120Ω 特性阻抗的雙絞線電纜，為防止信號反射，應(yīng)在電纜兩端使用與線路特性阻抗相等的電阻進行終端匹配。未終端的分支線路應(yīng)盡量短，以減少信號反射。終端可以是電纜末端的單個 120Ω 電阻，也可以采用分割終端方式，以改善網(wǎng)絡(luò)的電磁輻射性能。

（三）電源供應(yīng)建議

該系列產(chǎn)品的 $V{CC}$ 輸入電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，部分型號的 $V{IO}$ 電源電壓范圍為 3V 至 5.5V。為確保電源穩(wěn)定性，應(yīng)在 CAN 收發(fā)器的主 $V{CC}$ 電源輸出附近放置一個大容量電容（通常為 4.7μF），并在 $V{CC}$ 和 $V_{IO}$ 電源終端附近放置一個旁路電容（通常為 0.1μF），以減少開關(guān)電源輸出的電壓紋波，并補償 PCB 電源平面和走線的電阻和電感。

（四）布局指南

在 PCB 設(shè)計中，為保護器件免受工業(yè)環(huán)境中可能出現(xiàn)的 EFT 和浪涌瞬變影響，通常需要使用外部瞬態(tài)保護器件。由于 ESD 和瞬態(tài)信號的頻率帶寬較寬（約 3MHz 至 3GHz），因此在 PCB 設(shè)計時應(yīng)采用高頻布局技術(shù)。該系列產(chǎn)品具有較高的片上 IEC ESD 保護能力，但如果需要更高的系統(tǒng)級抗擾度，可使用外部 TVS 二極管。TVS 二極管和總線濾波電容應(yīng)盡量靠近板載連接器放置，以防止噪聲瞬態(tài)事件進一步傳播到 PCB 和系統(tǒng)中。

八、總結(jié)

TCAN1042-Q1 系列汽車類 CAN 收發(fā)器以其豐富的特性、優(yōu)秀的性能和廣泛的應(yīng)用場景，為汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域的 CAN 總線通信提供了可靠的解決方案。在設(shè)計 CAN 總線系統(tǒng)時，工程師應(yīng)充分了解該系列產(chǎn)品的特性和參數(shù)，結(jié)合實際應(yīng)用需求，合理選擇型號，并遵循相關(guān)的設(shè)計建議和布局指南，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，TI 提供了完善的文檔支持和技術(shù)論壇，工程師可以通過訂閱文檔更新通知獲取最新的產(chǎn)品信息，并在 TI E2E? 支持論壇上獲取快速、經(jīng)過驗證的解答和設(shè)計幫助。

希望