具有待機模式和 1.8V IO 支持的 TCAN1044V 故障保護 CAN FD 收發(fā)器詳解

在電子工程領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線收發(fā)器是實現(xiàn)設(shè)備間可靠通信的關(guān)鍵組件。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的 TCAN1044V 故障保護 CAN FD 收發(fā)器，看看它有哪些出色的特性和應(yīng)用場景。

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1. 特性亮點

1.1 標準兼容性與性能支持

TCAN1044V 符合 ISO 11898 - 2:2016 和 ISO 11898 - 5:2007 物理層標準要求，這意味著它能很好地融入遵循這些標準的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。它不僅支持傳統(tǒng) CAN，還對 CAN FD 性能進行了優(yōu)化，數(shù)據(jù)速率可達 2、5 和 8Mbps。較短的對稱傳播延遲時間和快速循環(huán)次數(shù)，為系統(tǒng)增加了時序裕量，能在負載 CAN 網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。這不禁讓人思考，在高速數(shù)據(jù)交互需求不斷增長的當(dāng)下，這樣的性能提升能為我們的系統(tǒng)帶來多大的效率提升呢？

1.2 廣泛的電壓支持

其 IO 電壓范圍支持 1.7V 至 5.5V，可適配 1.8V、2.5V、3.3V 和 5V 應(yīng)用，無需額外的電平轉(zhuǎn)換電路，大大簡化了設(shè)計?？偔h(huán)路延遲 ≤210ns，能滿足對實時性要求較高的應(yīng)用場景。小尺寸 SOT - 23 封裝（2.9mm x 1.60mm）則節(jié)省了 PCB 空間，對于空間受限的設(shè)計來說非常友好。

1.3 強大的保護功能

該收發(fā)器具備多種保護功能，如總線故障保護（±58V）、欠壓保護、總線引腳限流、TXD 顯性超時（DTO）、數(shù)據(jù)速率低至 9.2kbps 以及熱關(guān)斷保護（TSD）。這些保護功能就像給設(shè)備穿上了一層堅固的鎧甲，能有效抵御各種異常情況，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。你是否在設(shè)計中也遇到過因各種故障導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的情況呢？有了 TCAN1044V 的這些保護，或許能讓你少一些煩惱。

1.4 靈活的工作模式

支持正常模式和具有遠程喚醒請求功能的低功耗待機模式，在待機模式下可降低功耗，延長設(shè)備的續(xù)航時間。同時，它優(yōu)化了未上電時的性能，總線和邏輯引腳為高阻抗，運行總線或應(yīng)用上無負載，還支持熱插拔，在上電/斷電時總線和 RXD 輸出無干擾運行。結(jié)溫范圍為 - 40°C 至 150°C，能適應(yīng)較寬的溫度環(huán)境。

2. 應(yīng)用場景

TCAN1044V 的應(yīng)用場景十分廣泛，涵蓋了電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)運輸（非汽車和非輕型卡車）、工廠自動化與控制以及電器等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，對通信的可靠性、穩(wěn)定性和實時性都有較高要求，而 TCAN1044V 憑借其出色的特性，能夠很好地滿足這些需求。比如在工廠自動化與控制中，多個設(shè)備之間需要進行高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，TCAN1044V 就能發(fā)揮其優(yōu)勢，確保生產(chǎn)過程的高效運行。

3. 詳細說明

3.1 基本功能

TCAN1044V 是一款符合 ISO 11898 - 2:2016 高速 CAN 規(guī)范物理層要求的高速控制器局域網(wǎng)（CAN）收發(fā)器，支持傳統(tǒng) CAN 和 CAN FD 網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)速率高達 8 兆位/秒（Mbps））。它通過 $V_{IO}$ 端子實現(xiàn)內(nèi)部邏輯電平轉(zhuǎn)換功能，可將收發(fā)器 IO 直接連接到 1.8V、2.5V、3.3V 或 5V 邏輯 IO，方便與不同電平的控制器進行接口。

3.2 引腳配置與功能

這些引腳各司其職，共同實現(xiàn)了收發(fā)器的各種功能。例如，TXD 用于接收 CAN 控制器的發(fā)送數(shù)據(jù)，RXD 則將接收到的數(shù)據(jù)輸出給 CAN 控制器。通過合理配置這些引腳，我們可以實現(xiàn)不同的工作模式和功能。

3.3 電氣特性

文檔中詳細列出了該收發(fā)器的各項電氣特性，包括絕對最大額定值、ESD 額定值、推薦工作條件、熱特性、供電特性、耗散額定值、電氣特性以及開關(guān)特性等。這些參數(shù)對于我們進行電路設(shè)計和性能評估非常重要。例如，在選擇電源時，需要參考其推薦工作條件中 $V{CC}$ 和 $V{IO}$ 的電壓范圍；在考慮散熱設(shè)計時，要關(guān)注其熱特性參數(shù)。

3.4 功能模式

3.4.1 正常模式

在正常模式下，CAN 驅(qū)動和接收器完全正常工作，CAN 通信是雙向的。驅(qū)動將 TXD 輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為總線上的差分輸出，接收器則將總線上的差分信號轉(zhuǎn)換為 RXD 輸出的數(shù)字信號。這種模式適用于需要實時、穩(wěn)定通信的場景。

3.4.2 待機模式

待機模式是低功耗模式，此時 CAN 驅(qū)動和主接收器關(guān)閉，雙向 CAN 通信無法進行。不過，低功耗接收器和總線監(jiān)測電路開啟，可通過 CAN 總線實現(xiàn) RXD 喚醒請求。當(dāng)接收到有效的喚醒模式（WUP）信號時，可將設(shè)備從待機模式喚醒到正常模式。這種模式能有效降低系統(tǒng)功耗，適用于對功耗有嚴格要求的應(yīng)用。

3.5 保護機制

3.5.1 TXD 顯性超時（DTO）

在正常模式下，TXD DTO 電路可防止在硬件或軟件故障時，TXD 長時間保持顯性狀態(tài)而阻塞網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng) TXD 保持顯性狀態(tài)超過設(shè)定的超時時間 $t_{TXD_DTO}$ 時，CAN 驅(qū)動將被禁用，釋放總線供其他節(jié)點通信。當(dāng) TXD 引腳出現(xiàn)隱性信號時，CAN 驅(qū)動重新激活。這種機制確保了網(wǎng)絡(luò)的正常運行，避免了因單個節(jié)點故障而影響整個網(wǎng)絡(luò)。

3.5.2 CAN 總線短路電流限制

TCAN1044V 具有多種保護功能，可限制 CAN 總線短路時的短路電流。包括在顯性和隱性狀態(tài)下的 CAN 驅(qū)動電流限制，以及 TXD 顯性狀態(tài)超時保護。在選擇 CAN 設(shè)計的終端電阻或共模扼流圈時，應(yīng)考慮平均短路電流 $I_{OS(AVG)}$。這要求我們在設(shè)計電路時，充分考慮各種故障情況，確保電源能夠滿足設(shè)備在異常情況下的需求。

3.5.3 熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng) TCAN1044V 的結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值 $T{TSD}$ 時，設(shè)備將關(guān)閉 CAN 驅(qū)動電路，阻斷 TXD 到總線的傳輸路徑。當(dāng)結(jié)溫降至 $T{TSD}$ 以下時，關(guān)斷條件解除。在 TSD 故障期間，CAN 總線引腳偏置到 $V_{CC} / 2$，接收器到 RXD 路徑仍可正常工作。這種保護機制能防止設(shè)備因過熱而損壞，提高了設(shè)備的可靠性。

3.5.4 欠壓鎖定

$V{CC}$ 和 $V{IO}$ 引腳具有欠壓檢測功能，當(dāng)出現(xiàn)欠壓情況時，設(shè)備將進入保護狀態(tài)，保護總線不受影響。當(dāng)欠壓情況消除且電源恢復(fù)到有效水平后，設(shè)備將在 $t_{MODE}$ 時間過后過渡到正常模式。在設(shè)計電源電路時，我們需要確保電源的穩(wěn)定性，避免因欠壓導(dǎo)致設(shè)備進入保護狀態(tài)而影響系統(tǒng)的正常運行。

4. 應(yīng)用與實現(xiàn)

4.1 典型應(yīng)用

TCAN1044V 可用于包含 CAN 協(xié)議鏈路層部分的主機控制器或 FPGA 應(yīng)用中。文檔中給出了 5V 控制器應(yīng)用和 1.8V、2.5V、3.3V 應(yīng)用的典型配置示例，同時還展示了總線終端的配置方式。在實際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)具體需求選擇合適的配置。

4.2 設(shè)計要點

4.2.1 CAN 終端

CAN 總線的終端可以是在總線兩端各使用一個 120 - Ω 電阻，也可以采用分裂終端（split termination）來過濾和穩(wěn)定總線的共模電壓，改善網(wǎng)絡(luò)的電磁發(fā)射特性。在設(shè)計時，我們需要根據(jù)實際需求選擇合適的終端方式，以確保信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

4.2.2 總線負載、長度和節(jié)點數(shù)量

典型的 CAN 應(yīng)用中，總線最大長度為 40 米，最大分支長度為 0.3 米。但通過精心設(shè)計，可增加電纜長度、分支長度和節(jié)點數(shù)量。TCAN1044V 具有高輸入阻抗，理論上可支持單個總線段上超過 100 個收發(fā)器，但實際設(shè)計中需要考慮信號損失、寄生負載、時序、網(wǎng)絡(luò)不平衡、接地偏移和信號完整性等因素，因此實際節(jié)點數(shù)量可能會有所減少。這就要求我們在設(shè)計 CAN 網(wǎng)絡(luò)時，要綜合考慮各種因素，進行合理的權(quán)衡和優(yōu)化。

4.3 電源供應(yīng)建議

TCAN1044V 設(shè)計工作在 $V{CC}$ 輸入電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，$V{IO}$ 輸入電壓范圍為 1.8V 至 5.5V 的環(huán)境中，且兩個電源輸入都需要良好的穩(wěn)壓。在 CAN 收發(fā)器的 $V{CC}$ 和 $V{IO}$ 電源引腳附近應(yīng)分別放置一個典型值為 100nF 的去耦電容，以減少電源噪聲對設(shè)備的影響。在設(shè)計電源電路時，我們要嚴格按照這些建議進行配置，確保設(shè)備的正常運行。

4.4 布局注意事項

由于瞬態(tài)干擾具有高頻內(nèi)容和寬帶寬，在 PCB 設(shè)計時應(yīng)采用高頻布局技術(shù)。保護和濾波電路應(yīng)靠近總線連接器，以防止瞬態(tài)、ESD 和噪聲進入電路板。$V{CC}$ 和 GND 平面應(yīng)提供低電感路徑，去耦電容應(yīng)盡可能靠近收發(fā)器的電源引腳，并使用至少兩個過孔連接 $V{CC}$ 和地，以減少走線和過孔的電感。合理的布局設(shè)計對于提高設(shè)備的抗干擾能力和穩(wěn)定性至關(guān)重要，我們在設(shè)計 PCB 時要充分重視這些細節(jié)。

5. 器件和文檔支持

文檔中提供了相關(guān)鏈接，包括技術(shù)文檔、支持和社區(qū)資源、工具和軟件以及立即訂購的快速訪問鏈接。同時，還介紹了如何接收文檔更新通知、支持資源、商標信息、靜電放電警告和術(shù)語表等內(nèi)容。這些信息為我們在使用和開發(fā)過程中提供了便利和支持，我們可以充分利用這些資源來解決遇到的問題和獲取更多的技術(shù)信息。

6. 機械、封裝和可訂購信息

文檔中列出了 TCAN1044V 的不同可訂購型號、狀態(tài)、材料類型、封裝、引腳數(shù)量、包裝數(shù)量、載體、RoHS 合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL 評級/峰值回流溫度、工作溫度范圍和零件標記等信息。此外，還提供了封裝材料信息、磁帶和卷軸信息、封裝外形圖、示例電路板布局、示例鋼網(wǎng)設(shè)計等詳細內(nèi)容。這些信息對于我們進行器件選型和生產(chǎn)制造非常有幫助，我們可以根據(jù)實際需求選擇合適的型號和封裝。

綜上所述，TCAN1044V 故障保護 CAN FD 收發(fā)器憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場景和完善的保護機制，為電子工程師在設(shè)計 CAN 網(wǎng)絡(luò)時提供了一個可靠的選擇。在實際應(yīng)用中，我們需要充分了解其各項特性和參數(shù)，結(jié)合具體需求進行合理設(shè)計，以實現(xiàn)系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行。你在使用類似的 CAN 收發(fā)器時，有沒有遇到過什么有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。