ISO1044隔離式CAN FD收發(fā)器：小封裝大性能

引言

在工業(yè)控制、汽車電子等領(lǐng)域，CAN總線憑借其高可靠性和實(shí)時(shí)性得到了廣泛應(yīng)用。而ISO1044隔離式CAN FD收發(fā)器作為一款性能卓越的產(chǎn)品，為CAN總線系統(tǒng)帶來(lái)了更多的優(yōu)勢(shì)。本文將詳細(xì)介紹ISO1044的特性、應(yīng)用、技術(shù)參數(shù)以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)谙嚓P(guān)設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、ISO1044特性概覽

1. 標(biāo)準(zhǔn)兼容性與數(shù)據(jù)速率

ISO1044符合ISO 11898 - 2:2016物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持高達(dá)1Mbps的經(jīng)典CAN和高達(dá)5Mbps的FD（靈活數(shù)據(jù)速率）。這使得它在不同的數(shù)據(jù)傳輸需求場(chǎng)景下都能游刃有余，相比經(jīng)典CAN，CAN FD模式可實(shí)現(xiàn)更為快速的載荷傳輸，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2. 強(qiáng)大的保護(hù)特性

• 總線故障保護(hù)：具備±58V的直流總線故障保護(hù)電壓，能有效應(yīng)對(duì)總線電壓異常情況，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
• ESD容差：總線引腳的IEC ESD容差為±8kV，HBM ESD容差為±10kV，可抵御靜電干擾，減少因靜電放電對(duì)器件造成的損壞。
• 驅(qū)動(dòng)器顯性超時(shí)（TXD DTO）：防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致TXD引腳長(zhǎng)時(shí)間處于顯性狀態(tài)而阻塞網(wǎng)絡(luò)通信，當(dāng)超時(shí)發(fā)生時(shí)，會(huì)禁用CAN總線驅(qū)動(dòng)器，釋放總線供其他節(jié)點(diǎn)通信。
• 欠壓保護(hù)：$V{CC 1}$ 和 $V{CC 2}$ 欠壓保護(hù)功能，在電源電壓不足時(shí)，將設(shè)備置于保護(hù)或默認(rèn)模式，保護(hù)總線不受影響。

3. 良好的電氣性能

• 共模電壓范圍：共模電壓范圍達(dá)到±12V，能適應(yīng)復(fù)雜的電氣環(huán)境，減少共模干擾對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/li>
• 高CMTI：CMTI（共模瞬態(tài)抗擾度）最小值為85kV/μs，保證了在高速信號(hào)傳輸過(guò)程中，對(duì)共模瞬態(tài)干擾的高抗性。
• 電壓范圍靈活：$V{CC 1}$ 電壓范圍為1.71V至5.5V，支持連接到CAN控制器的1.8V、2.5V、3.3V和5.0V邏輯接口；$V{CC 2}$ 電壓范圍為4.5V至5.5V，為不同的電源配置提供了便利。

4. 優(yōu)異的電磁兼容性（EMC）

• 抗擾性強(qiáng)：具備系統(tǒng)級(jí)ESD、EFT和浪涌抗擾性，能在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，減少外界干擾對(duì)器件性能的影響。
• 低輻射：低輻射特性有助于減少對(duì)周圍其他電子設(shè)備的電磁干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性。

5. 寬溫度范圍與封裝形式

環(huán)境溫度范圍為–40°C至 +125°C，適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。采用8 - SOIC封裝，體積小巧，節(jié)省電路板空間，同時(shí)便于安裝和布局。

6. 安全相關(guān)認(rèn)證

符合多項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)，如DIN VDE V 0884 - 11:2017 - 01標(biāo)準(zhǔn)的VDE增強(qiáng)型絕緣、UL 1577組件認(rèn)證計(jì)劃、IEC 60950 - 1、IEC 62368 - 1、IEC 61010 - 1和GB 4943.1 - 2011認(rèn)證，為系統(tǒng)的安全性提供了可靠保障。

二、ISO1044的應(yīng)用領(lǐng)域

ISO1044的優(yōu)異性能使其在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括但不限于：

• 交流和伺服驅(qū)動(dòng)器：在工業(yè)自動(dòng)化中，交流和伺服驅(qū)動(dòng)器需要精確的控制和快速的數(shù)據(jù)傳輸，ISO1044的高速數(shù)據(jù)速率和高可靠性能夠滿足其需求。
• 光伏逆變器：光伏逆變器工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)電磁兼容性和電氣性能要求較高，ISO1044的良好特性使其能夠穩(wěn)定運(yùn)行，保障光伏系統(tǒng)的正常發(fā)電。
• PLC和DCS通信模塊：可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）的通信模塊需要高效的數(shù)據(jù)傳輸和可靠的通信協(xié)議支持，ISO1044能夠提供穩(wěn)定的通信連接。
• 升降機(jī)和自動(dòng)扶梯：在升降機(jī)和自動(dòng)扶梯的控制系統(tǒng)中，安全性和可靠性至關(guān)重要，ISO1044的保護(hù)特性和寬溫度范圍能夠確保系統(tǒng)在各種環(huán)境下安全運(yùn)行。
• 工業(yè)電源：工業(yè)電源需要對(duì)輸出進(jìn)行精確控制和監(jiān)測(cè)，ISO1044可用于電源與控制系統(tǒng)之間的通信，提高電源的穩(wěn)定性和可靠性。
• 電池充電和管理：在電池充電和管理系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ISO1044的高速數(shù)據(jù)傳輸能力能夠滿足這一需求。

三、ISO1044技術(shù)參數(shù)詳解

1. 絕對(duì)最大額定值

規(guī)定了器件在正常工作時(shí)所允許的最大電壓、電流和溫度等參數(shù)，如$V{CC 1}$ 和 $V{CC 2}$ 的最大電壓為6V，總線引腳電壓范圍為 - 58V至58V等。超過(guò)這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵守。

2. ESD額定值

給出了器件在不同ESD測(cè)試模型下的耐受電壓，如人體模型（HBM）下所有引腳的ESD耐受電壓為±4000V，CANH和CANL到GND2的ESD耐受電壓為 + 10000V等。了解這些參數(shù)有助于在設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的防靜電措施，保護(hù)器件免受靜電損壞。

3. 推薦工作條件

明確了器件在正常工作時(shí)的最佳電壓、電流和溫度范圍，如$V{CC 1}$ 在不同邏輯接口電壓下的推薦范圍，$V{CC 2}$ 的電壓范圍為4.5V至5.5V等。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，應(yīng)確保電源輸出在推薦工作條件范圍內(nèi)，以保證器件的性能和可靠性。

4. 熱信息

提供了器件的熱阻參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻（$R{θJA}$）、結(jié)到外殼的熱阻（$R{θJC}$）等。這些參數(shù)對(duì)于散熱設(shè)計(jì)非常重要，通過(guò)合理的散熱措施，可以確保器件在工作過(guò)程中不會(huì)因溫度過(guò)高而影響性能或損壞。

5. 功率額定值

給出了器件在不同工作條件下的最大功率耗散，如最大總功率耗散（$PD$）、一側(cè)的最大功率耗散（$P{D1}$ 和 $P_{D2}$）等。在設(shè)計(jì)電源和散熱系統(tǒng)時(shí)，需要考慮這些功率參數(shù)，以確保器件能夠正常工作。

6. 絕緣規(guī)格

規(guī)定了器件的絕緣性能參數(shù)，如外部間隙（CLR）、外部爬電距離（CPG）、絕緣距離（DTI）等。這些參數(shù)對(duì)于保證器件的電氣隔離性能至關(guān)重要，特別是在涉及高電壓和安全要求的應(yīng)用中。

7. 安全相關(guān)認(rèn)證參數(shù)

列出了器件在各項(xiàng)安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下的相關(guān)參數(shù)，如最大瞬態(tài)隔離電壓、最大重復(fù)峰值隔離電壓等。這些參數(shù)是器件符合安全標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)，在設(shè)計(jì)安全相關(guān)的系統(tǒng)時(shí)，必須確保器件滿足相應(yīng)的認(rèn)證要求。

8. 電氣特性 - DC規(guī)格

詳細(xì)描述了器件在直流工作條件下的各項(xiàng)電氣參數(shù)，如電源電流（$I{CC 1}$ 和 $I{CC 2}$）、輸入輸出電壓、短路電流等。這些參數(shù)對(duì)于理解器件的工作原理和性能特點(diǎn)非常重要，在電路設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中，需要根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行合理的電路配置和優(yōu)化。

9. 開關(guān)特性

給出了器件在開關(guān)過(guò)程中的各項(xiàng)時(shí)間參數(shù)，如總環(huán)路延遲（$t{PROP(LOOP1)}$ 和 $t{PROP(LOOP2)}$）、傳播延遲時(shí)間（$t{PHR}$ 和 $t{PLD}$）等。這些參數(shù)對(duì)于高速信號(hào)傳輸和時(shí)序控制非常關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)高速通信系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行精確的時(shí)序設(shè)計(jì)和信號(hào)完整性分析。

四、ISO1044設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電源設(shè)計(jì)

為了確保器件在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，建議在輸入和輸出電源引腳（$V{CC 1}$ 和 $V{CC 2}$）處使用0.1 - μF的旁路電容，并將其盡可能靠近電源引腳放置。此外，在$V_{CC 2}$ 電源引腳附近可放置一個(gè)4.7 μF的大容量電容，以提供更好的電源濾波效果。如果應(yīng)用中只有一個(gè)初級(jí)側(cè)電源，可借助變壓器驅(qū)動(dòng)器（如TI的SN6505B）為次級(jí)側(cè)生成隔離電源。

2. 總線設(shè)計(jì)

• 總線負(fù)載、長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量：雖然ISO 11898 - 2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大總線長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，但通過(guò)精心設(shè)計(jì)，可適當(dāng)延長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度、增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量。ISO1044B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)際設(shè)計(jì)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)量和總線長(zhǎng)度。
• CAN終端：根據(jù)ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，總線應(yīng)使用120 - Ω的終端電阻進(jìn)行兩端終端匹配，以防止信號(hào)反射。如果需要對(duì)總線的共模電壓進(jìn)行濾波和穩(wěn)定，可采用分裂終端方式，這種方式有助于改善網(wǎng)絡(luò)的電磁發(fā)射性能。

3. PCB布局設(shè)計(jì)

• 層數(shù)和層疊順序：為實(shí)現(xiàn)低EMI的PCB設(shè)計(jì)，建議使用至少四層電路板，層疊順序?yàn)楦咚傩盘?hào)層、接地層、電源層和低頻信號(hào)層。將高速信號(hào)布線在頂層可避免使用過(guò)孔，減少電感的引入；在高速信號(hào)層旁邊放置實(shí)心接地層，可實(shí)現(xiàn)傳輸線互連的受控阻抗，并為回流電流提供低電感路徑；電源層與接地層相鄰可增加高頻旁路電容。
• 元件布局和布線：將$V_{CC 2}$ 旁路電容放置在頂層，并盡可能靠近器件引腳，避免使用過(guò)孔連接。對(duì)于ISO1044B的旁路電容和可選的TVS二極管，應(yīng)按照推薦的布局和布線方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果需要額外的電源電壓層或信號(hào)層，可添加第二個(gè)電源或接地層系統(tǒng)，以保持層疊結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，提高電路板的機(jī)械穩(wěn)定性和高頻旁路電容。

五、總結(jié)

ISO1044隔離式CAN FD收發(fā)器以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)異的技術(shù)參數(shù)，為電子工程師在CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)可靠的選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分了解其特性和參數(shù)，遵循合理的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的性能、可靠性和安全性。同時(shí)，TI提供了豐富的文檔支持和技術(shù)資源，幫助工程師更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。你在使用ISO1044進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。