具有極性控制功能的TCAN4420 CAN收發(fā)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程領(lǐng)域，CAN收發(fā)器作為高速控制器局域網(wǎng)（CAN）的關(guān)鍵組件，對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信起著至關(guān)重要的作用。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）推出的TCAN4420 CAN收發(fā)器，詳細(xì)介紹其特性、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵要點(diǎn)。

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一、TCAN4420特性概覽

1. 標(biāo)準(zhǔn)兼容性

TCAN4420符合ISO 11898 - 2 (2016)物理層標(biāo)準(zhǔn)要求，這確保了它能夠與遵循該標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫通信，為系統(tǒng)的兼容性提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

2. 極性控制功能

通過(guò)SW（開(kāi)關(guān)）引腳進(jìn)行外部極性控制，可將極性切換為CAN總線(xiàn)的正常（默認(rèn)）或反向配置。這一特性為設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的靈活性，特別是在處理一些特殊的總線(xiàn)連接需求時(shí)，能夠有效地解決極性不匹配的問(wèn)題。

3. 雙電源設(shè)計(jì)

采用雙電源供電，5V $V{CC}$ 引腳為CAN驅(qū)動(dòng)器和接收器供電，2.8V至5V $V{IO}$ 引腳為RXD、TXD和SW引腳供電。這種設(shè)計(jì)使得該收發(fā)器能夠適應(yīng)不同的電源需求，同時(shí)也為與不同電壓等級(jí)的微控制器連接提供了便利。

4. 寬運(yùn)行范圍

具備±46V總線(xiàn)故障保護(hù)、±12V共模范圍以及 - 40°C至125°C的環(huán)境溫度范圍，使其能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

5. 保護(hù)特性豐富

• ESD保護(hù)：人體放電模型（HBM）ESD保護(hù)高達(dá)±12kV，能夠有效防止靜電對(duì)器件造成損壞。
• 電源欠壓保護(hù)：$V{CC}$ 和 $V{IO}$ 電源欠壓保護(hù)，確保在電源電壓異常時(shí)，器件能夠進(jìn)入保護(hù)模式，避免因電壓過(guò)低而導(dǎo)致的故障。
• TXD顯性超時(shí)（TXD DTO）：支持低至9.2kbps的數(shù)據(jù)速率，防止因TXD長(zhǎng)時(shí)間處于顯性狀態(tài)而導(dǎo)致總線(xiàn)被鎖定，保障了網(wǎng)絡(luò)通信的正常進(jìn)行。
• 熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）：當(dāng)器件的結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)器電路，防止器件因過(guò)熱而損壞。

6. 未上電性能優(yōu)化

在未上電時(shí)，總線(xiàn)和邏輯終端處于高阻態(tài)，對(duì)運(yùn)行總線(xiàn)或應(yīng)用無(wú)負(fù)載，且上電/斷電無(wú)毛刺脈沖運(yùn)行，減少了對(duì)其他設(shè)備的干擾。

7. 快速循環(huán)時(shí)間

快速循環(huán)時(shí)間為150ns，能夠滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)通信的需求，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

TCAN4420在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，具體包括：

1. 樓宇安全網(wǎng)關(guān)

用于連接不同的安全設(shè)備，如門(mén)禁系統(tǒng)、監(jiān)控?cái)z像頭等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸和集中管理，確保樓宇的安全。

2. HVAC網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)控制器

在暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)中，作為網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)控制器的關(guān)鍵組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度等參數(shù)的精確控制和數(shù)據(jù)通信。

3. 電梯主面板

為電梯主面板與其他部件之間的通信提供支持，確保電梯的安全運(yùn)行和高效控制。

三、詳細(xì)規(guī)格解析

1. 絕對(duì)最大額定值

涵蓋了電源電壓、總線(xiàn)電壓、邏輯輸入電壓等多個(gè)參數(shù)的最大額定值，如$V{CC}$ 電源電壓范圍為 - 0.3V至6V，$V{IO}$ 電源電壓范圍同樣為 - 0.3V至6V，這些參數(shù)為設(shè)計(jì)人員在選擇電源和其他外部電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

2. ESD評(píng)級(jí)

包括人體放電模型（HBM）和帶電設(shè)備模型（CDM）的ESD評(píng)級(jí)，以及系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試結(jié)果。例如，CAN總線(xiàn)終端（CANH，CANL）的HBM ESD保護(hù)高達(dá)±12000V，這表明該器件具有較強(qiáng)的抗靜電能力。

3. 推薦工作條件

明確了器件在正常工作時(shí)的電源電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)范圍，如$V{CC}$ 推薦工作電壓為4.5V至5.5V，$V{IO}$ 推薦工作電壓為2.8V至5.5V，環(huán)境溫度范圍為 - 40°C至125°C。遵循這些推薦工作條件，能夠確保器件的性能和可靠性。

4. 熱信息

提供了器件的熱阻、熱特性參數(shù)等信息，如結(jié)到環(huán)境的熱阻$R{θJA}$ 為114°C/W，結(jié)到板的熱阻$R{θJB}$ 為59.2°C/W。這些參數(shù)對(duì)于散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要，能夠幫助設(shè)計(jì)人員合理選擇散熱方式和散熱器件。

5. 電源特性

詳細(xì)描述了器件在不同工作模式下的電源電流、功耗等特性，如正常模式下的電源電流在顯性狀態(tài)和隱性狀態(tài)下分別為不同的值，以及平均功耗在不同條件下的變化情況。了解這些電源特性，有助于優(yōu)化系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)，降低功耗。

6. 交直流電氣特性

包括驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性，如總線(xiàn)輸出電壓、輸入閾值電壓、共模范圍等。這些特性直接影響著器件的通信性能，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和調(diào)整。

7. 時(shí)序要求

規(guī)定了器件的各種時(shí)序參數(shù)，如傳播延遲時(shí)間、脈沖寬度、上升時(shí)間、下降時(shí)間等。嚴(yán)格滿(mǎn)足這些時(shí)序要求，是確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)年P(guān)鍵。

8. 典型特性

通過(guò)圖表展示了器件在不同溫度、電源電壓等條件下的典型特性，如$V_{OD(D)}$ 隨溫度和電源電壓的變化情況，以及總環(huán)路延遲隨溫度的變化情況。這些典型特性為設(shè)計(jì)人員在實(shí)際應(yīng)用中評(píng)估器件性能提供了直觀(guān)的參考。

四、功能描述

1. 概述

TCAN4420作為一款高速CAN收發(fā)器，集成了多種保護(hù)特性，支持通過(guò)微控制器由SW引腳從外部控制CAN總線(xiàn)極性，同時(shí)具備電平轉(zhuǎn)換功能，消除了主機(jī)微處理器與CAN收發(fā)器RXD輸出之間額外電平轉(zhuǎn)換器的需求。

2. 功能框圖

通過(guò)功能框圖，我們可以清晰地了解器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號(hào)流程，為深入理解器件的工作原理提供了直觀(guān)的依據(jù)。

3. 特性描述

• TXD顯性超時(shí)（DTO）：當(dāng)TXD長(zhǎng)時(shí)間處于顯性狀態(tài)時(shí)，DTO電路會(huì)自動(dòng)禁用CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，釋放總線(xiàn)，確保網(wǎng)絡(luò)通信的正常進(jìn)行。當(dāng)TXD恢復(fù)為隱性狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器重新激活。
• CAN總線(xiàn)短路電流限制：該器件具備多種保護(hù)特性，能夠限制CAN總線(xiàn)短路時(shí)的電流。通過(guò)計(jì)算平均短路電流，設(shè)計(jì)人員可以合理選擇網(wǎng)絡(luò)組件的功率額定值，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。
• 熱關(guān)斷：當(dāng)器件的結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)器電路，防止器件因過(guò)熱而損壞。當(dāng)結(jié)溫下降到熱關(guān)斷溫度以下時(shí)，關(guān)閉條件解除。
• 欠壓鎖定（UVLO）：$V{CC}$ 和 $V{IO}$ 電源欠壓檢測(cè)電路能夠在電源電壓異常時(shí)將器件置于保護(hù)模式，保護(hù)總線(xiàn)免受影響。同時(shí)，器件還支持單獨(dú)的$V_{IO}$ 電源引腳，可根據(jù)微控制器的電源電壓進(jìn)行設(shè)置。

4. 器件功能模式

• 極性配置：支持兩種極性配置，通過(guò)將SW引腳連接到GND或$V_{IO}$ ，可以實(shí)現(xiàn)CAN引腳的正?；蚍聪蜻B接。在改變SW引腳狀態(tài)后，需要等待一段時(shí)間（tMODE）才能讀取總線(xiàn)或RXD引腳。
• 正常極性模式：這是器件的正常配置，CAN驅(qū)動(dòng)器和接收器完全正常工作，CAN通信雙向進(jìn)行。
• 反向極性模式：當(dāng)SW引腳連接到$V{IO}$ 時(shí)，器件進(jìn)入反向極性模式，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器和接收器仍然正常工作，但$V{OD}$ 和 $V_{ID}$ 的定義發(fā)生改變。
• 驅(qū)動(dòng)器和接收器功能：詳細(xì)描述了驅(qū)動(dòng)器和接收器在不同模式下的輸入輸出特性，以及CAN總線(xiàn)狀態(tài)與RXD引腳輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
• 浮動(dòng)終端：器件在關(guān)鍵終端上具有內(nèi)部上拉和下拉電阻，確保在終端浮動(dòng)時(shí)器件處于已知狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在噪聲環(huán)境下，不能僅僅依賴(lài)內(nèi)部偏置，還需要采取額外的保護(hù)措施。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息

TCAN4420通常與包含CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層部分的主機(jī)微處理器或FPGA配合使用，適用于5V和3.3V微處理器應(yīng)用。在設(shè)計(jì)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行一系列的權(quán)衡，如數(shù)據(jù)速率、電纜長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)數(shù)量等。

2. 典型應(yīng)用

• 設(shè)計(jì)要求：CAN應(yīng)用的典型總線(xiàn)長(zhǎng)度為40米，最大分支長(zhǎng)度為0.3米，但通過(guò)精心設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電纜、更長(zhǎng)的分支長(zhǎng)度和更多的節(jié)點(diǎn)。TCAN4420具有高輸入阻抗，能夠滿(mǎn)足高節(jié)點(diǎn)數(shù)量的需求。同時(shí)，不同的CAN系統(tǒng)級(jí)規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)速率、電纜長(zhǎng)度和總線(xiàn)寄生負(fù)載進(jìn)行了權(quán)衡，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。
• 詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程
  • CAN終端：ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，CAN總線(xiàn)應(yīng)使用120Ω的終端電阻來(lái)防止信號(hào)反射?？梢圆捎脝坞娮杞K端或分裂終端，分裂終端能夠提供共模濾波，改善網(wǎng)絡(luò)的電磁發(fā)射性能。
  • 應(yīng)用曲線(xiàn)：通過(guò)$I{CC}$ 顯性電流隨$V{CC}$ 電源電壓的變化曲線(xiàn)，設(shè)計(jì)人員可以了解器件在不同電源電壓下的功耗情況，優(yōu)化電源設(shè)計(jì)。

六、電源供應(yīng)建議

為確保TCAN4420在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，每個(gè)電源應(yīng)使用100nF的陶瓷電容進(jìn)行去耦，并且電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳。這樣可以減少開(kāi)關(guān)模式電源輸出的電壓紋波，補(bǔ)償PCB電源平面的電阻和電感。

七、布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在PCB設(shè)計(jì)中，為了保護(hù)器件免受工業(yè)環(huán)境中可能出現(xiàn)的瞬態(tài)干擾，需要采用外部瞬態(tài)保護(hù)器件，并應(yīng)用高頻布局技術(shù)。具體要點(diǎn)如下：

1. 布局準(zhǔn)則

• 將保護(hù)和濾波電路盡可能靠近總線(xiàn)連接器，防止瞬態(tài)、ESD和噪聲傳播到電路板上。
• 按照信號(hào)路徑設(shè)計(jì)總線(xiàn)保護(hù)組件，避免瞬態(tài)電流偏離信號(hào)路徑。
• 使用電源和接地平面提供低電感，確保高頻電流能夠沿著低阻抗路徑流動(dòng)。
• 對(duì)于旁路電容和保護(hù)器件的電源和接地連接，使用至少兩個(gè)過(guò)孔，以減少走線(xiàn)和過(guò)孔的電感。
• 將旁路電容盡可能靠近收發(fā)器的電源端子，如$V{CC}$ 電源上的C1和$V{IO}$ 電源上的C5。
• 采用分裂終端提供共模濾波，同時(shí)注意終端電阻的功率額定值和放置位置，避免終端節(jié)點(diǎn)被移除時(shí)導(dǎo)致終端電阻丟失。
• 可以使用串聯(lián)電阻限制數(shù)字線(xiàn)路的電流，但這不是必需的。對(duì)于TXD輸入，如果使用開(kāi)漏主機(jī)處理器，需要使用電阻確保滿(mǎn)足器件的位時(shí)序要求。

2. 布局示例

通過(guò)布局示例，我們可以直觀(guān)地了解如何應(yīng)用上述布局準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

八、器件和文檔支持

1. 器件支持

該器件遵循ISO11898 - 2和ISO11898 - 5等CAN標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提供了一致性測(cè)試要求的參考資料，幫助設(shè)計(jì)人員全面了解CAN協(xié)議和器件的兼容性。

2. 接收文檔更新通知

設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)導(dǎo)航至TI.com上的器件產(chǎn)品文件夾，注冊(cè)接收產(chǎn)品信息更改摘要，及時(shí)了解文檔的更新情況。

3. 社區(qū)資源

TI E2E?在線(xiàn)社區(qū)為工程師提供了一個(gè)交流和協(xié)作的平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員可以在社區(qū)中咨詢(xún)問(wèn)題、分享知識(shí)、拓展思路，共同解決設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題。

4. 商標(biāo)和靜電放電警告

了解相關(guān)商標(biāo)信息和靜電放電警告，確保在使用器件過(guò)程中遵守相關(guān)規(guī)定，避免因靜電放電對(duì)器件造成損壞。

九、機(jī)械、封裝和可訂購(gòu)信息

詳細(xì)介紹了器件的機(jī)械尺寸、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評(píng)級(jí)/峰值回流溫度、工作溫度范圍和部件標(biāo)記等信息，為設(shè)計(jì)人員在選擇器件和進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)提供了全面的參考。

十、總結(jié)

TCAN4420作為一款功能強(qiáng)大的CAN收發(fā)器，具有諸多優(yōu)異的特性和豐富的保護(hù)功能，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要深入了解器件的規(guī)格、功能和應(yīng)用要求，遵循電源供應(yīng)建議和布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)充分利用器件和文檔支持資源，確保設(shè)計(jì)出可靠、高效的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。希望本文能夠?yàn)?a target="_blank">電子工程師在使用TCAN4420進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考和指導(dǎo)。

你在使用TCAN4420進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？你對(duì)本文中提到的哪些內(nèi)容感興趣？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。