TCAN1051-Q1汽車類CAN收發(fā)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點

在汽車電子領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線作為一種可靠的通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于各種汽車系統(tǒng)中。而CAN收發(fā)器則是實現(xiàn)CAN總線通信的關(guān)鍵組件之一。今天，我們就來詳細探討一下德州儀器（TI）的TCAN1051-Q1系列CAN收發(fā)器，它具有CAN FD和故障保護功能，能夠滿足汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

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特性剖析

汽車標(biāo)準(zhǔn)與兼容性

TCAN1051-Q1系列完全符合AEC Q100標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它能夠適應(yīng)汽車應(yīng)用的惡劣環(huán)境。其溫度等級1覆蓋了 -40°C 至 125°C 的范圍，HBM分級等級達到 ±16kV，CDM分級等級為 ±1500V，確保了在不同溫度和靜電環(huán)境下的穩(wěn)定性。同時，該系列符合ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)，并且提供功能安全型，為系統(tǒng)設(shè)計提供了有力支持。

高速數(shù)據(jù)傳輸

“Turbo”CAN功能是該系列的一大亮點。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”選項的器件更是支持高達5Mbps的數(shù)據(jù)速率。此外，它還具有較短的對稱傳播延遲時間和快速循環(huán)次數(shù)，能夠增加時序裕量，在有負載CAN網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率。

出色的EMC性能

在電磁兼容性（EMC）方面，TCAN1051-Q1系列表現(xiàn)出色。它支持SAE J2962-2和IEC 62228-3標(biāo)準(zhǔn)，在最高500kbps的數(shù)據(jù)速率下無需共模扼流圈，降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。

寬電壓范圍與理想無源行為

該系列的I/O電壓范圍支持3.3V和5V MCU，具有很強的兼容性。未供電時，器件呈現(xiàn)理想無源行為，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)，無負載，并且在總線和RXD輸出上實現(xiàn)上電/斷電無干擾運行，提高了系統(tǒng)的可靠性。

全面的保護特性

為了確保器件和網(wǎng)絡(luò)的耐用性，TCAN1051-Q1系列具備多種保護特性。IEC ESD保護高達 ±15kV，總線故障保護可達 ±58V（非H型號）和 ±70V（H型號），$V{CC}$ 和 $V{IO}$（僅限V型號）電源終端具有欠壓保護，驅(qū)動器顯性超時（TXD DTO）可防止長時間顯性狀態(tài)，熱關(guān)斷保護（TSD）則能在溫度過高時自動關(guān)閉驅(qū)動器。

應(yīng)用領(lǐng)域

TCAN1051-Q1系列適用于各種汽車和運輸應(yīng)用，包括高負載CAN網(wǎng)絡(luò)、重型機械ISOBUS應(yīng)用（ISO 11783）等。其出色的性能和可靠性能夠滿足這些應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。

器件信息

封裝形式

該系列采用SOIC（8）封裝和無引線VSON（8）封裝（3.0mm x 3.0mm），其中VSON封裝具有改進的自動光學(xué)檢查（AOI）功能，方便生產(chǎn)制造。

引腳配置與功能

不同型號的器件在引腳配置上略有差異，但主要引腳功能基本一致。TXD為CAN發(fā)送數(shù)據(jù)輸入，GND為接地連接，VCC為5V電源輸入，RXD為CAN接收數(shù)據(jù)輸出，CANH和CANL為CAN總線輸入/輸出線，S為靜音模式控制輸入。

技術(shù)規(guī)格

絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于正確使用和保護器件至關(guān)重要。該系列的電源電壓范圍、CAN總線I/O電壓范圍、邏輯輸入/輸出終端電壓范圍等都有明確的規(guī)定，超出這些范圍可能會導(dǎo)致器件損壞。

ESD Ratings

在靜電放電（ESD）方面，該系列具有較高的防護等級。不同封裝形式的器件在人體模型（HBM）、充電器件模型（CDM）和機器模型等測試條件下都有相應(yīng)的ESD應(yīng)力電壓指標(biāo)，確保了器件在實際應(yīng)用中的可靠性。

推薦工作條件

為了保證器件的正常工作，推薦在特定的電壓、電流和溫度范圍內(nèi)使用。例如，Vcc的推薦電壓范圍為4.5V至5.5V，Vio的推薦范圍為2.8V至5.5V。

熱信息

熱信息對于評估器件的散熱性能和可靠性非常重要。該系列提供了多種熱指標(biāo)，如結(jié)到空氣、結(jié)到板、結(jié)到殼等的熱阻，以及熱關(guān)斷溫度和熱關(guān)斷滯回溫度等參數(shù)。

功率額定值

了解器件的功率消耗和功率額定值有助于合理設(shè)計電源和散熱系統(tǒng)。該系列在不同的測試條件下給出了平均功率耗散的指標(biāo)，為系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。

電氣特性

電氣特性是評估器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)。該系列詳細列出了電源電流、I/O電源電流、輸入/輸出電壓、短路電流等參數(shù)，為工程師進行電路設(shè)計和性能優(yōu)化提供了依據(jù)。

開關(guān)特性

開關(guān)特性對于高速數(shù)據(jù)傳輸和信號處理非常重要。該系列給出了總環(huán)路延遲、模式切換時間、傳播延遲時間、脈沖偏斜、上升/下降時間等參數(shù)，確保了信號的準(zhǔn)確傳輸和處理。

典型特性

典型特性曲線能夠直觀地展示器件在不同條件下的性能表現(xiàn)。該系列提供了如差分輸出電壓隨溫度和電源電壓的變化曲線，以及總環(huán)路延遲隨溫度的變化曲線等，幫助工程師更好地了解器件的性能。

詳細描述

功能概述

TCAN1051-Q1系列滿足ISO11898-2（2016）高速CAN物理層標(biāo)準(zhǔn)，專為CAN FD網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，數(shù)據(jù)速率超過1Mbps。它提供了多種保護功能，增強了器件和CAN網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

功能框圖

功能框圖能夠清晰地展示器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。通過功能框圖，工程師可以更好地理解器件的各個模塊之間的關(guān)系，為系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

特性描述

TXD Dominant Timeout（DTO）功能可以防止在硬件或軟件故障時，TXD長時間保持顯性狀態(tài)，從而阻塞網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)TXD的顯性時間超過設(shè)定的超時時間時，驅(qū)動器將被禁用，釋放總線供其他節(jié)點通信。

Thermal Shutdown（TSD）功能可以在器件的結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值時，自動關(guān)閉CAN驅(qū)動電路，保護器件不受過熱損壞。當(dāng)結(jié)溫下降到熱關(guān)斷滯回溫度以下時，器件將恢復(fù)正常工作。

Undervoltage Lockout功能可以在電源電壓低于設(shè)定閾值時，將器件置于保護模式，防止器件在低電壓下工作不穩(wěn)定。當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后，器件通常會在50μs內(nèi)恢復(fù)正常工作。

Unpowered Device特性使得器件在未供電時對CAN總線呈現(xiàn)“理想無源”或“無負載”狀態(tài)，避免對總線造成額外負載。

Floating Terminals特性通過在關(guān)鍵引腳上設(shè)置內(nèi)部上拉電阻，確保在引腳浮空時器件處于已知狀態(tài)。

CAN Bus Short Circuit Current Limiting功能可以在CAN總線發(fā)生短路故障時，限制短路電流，保護器件和網(wǎng)絡(luò)。通過合理計算平均短路電流，可以為網(wǎng)絡(luò)組件的功率額定值設(shè)計提供參考。

器件功能模式

該系列器件具有兩種主要工作模式：正常模式和靜音模式。通過S輸入終端可以選擇工作模式。在正常模式下，驅(qū)動器和接收器均啟用，實現(xiàn)雙向CAN通信；在靜音模式下，驅(qū)動器禁用，接收器仍可接收總線數(shù)據(jù)。

驅(qū)動和接收功能表

驅(qū)動和接收功能表詳細列出了器件在不同輸入條件下的輸出狀態(tài)，幫助工程師理解器件的工作邏輯，進行電路設(shè)計和故障排查。

應(yīng)用信息

設(shè)計要求

在CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，需要考慮總線負載、長度和節(jié)點數(shù)量等因素。ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總線長度和節(jié)點數(shù)量的上限，但通過合理設(shè)計，可以延長總線長度、增加節(jié)點數(shù)量。TCAN1051系列具有高輸入阻抗，能夠滿足大規(guī)模節(jié)點的需求。

詳細設(shè)計程序

CAN Termination是CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)使用與電纜特性阻抗相等的電阻對總線兩端進行終端匹配，以防止信號反射。同時，應(yīng)盡量縮短連接節(jié)點到總線的未終端支線（stubs）的長度，減少信號反射。

應(yīng)用曲線

應(yīng)用曲線可以直觀地展示器件在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，$I{CC}$ Dominant Current隨$V{CC}$ 電源電壓的變化曲線，幫助工程師了解器件的功率消耗和性能變化。

電源供應(yīng)建議

為了確保器件的正常工作，建議使用穩(wěn)定的電源供應(yīng)。$V{CC}$ 輸入電源電壓范圍應(yīng)在4.5V至5.5V之間，$V{IO}$ 輸出電平轉(zhuǎn)換電源輸入范圍應(yīng)在3V至5.5V之間。同時，應(yīng)在CAN收發(fā)器的主要$V{CC}$ 電源輸出附近放置大容量電容（通常為4.7μF），并在$V{CC}$ 和$V_{IO}$ 電源終端附近放置旁路電容（通常為0.1μF），以減少電源電壓紋波和補償PCB電源平面和走線的電阻和電感。

布局指南

在PCB設(shè)計中，合理的布局對于提高系統(tǒng)的EMC性能和可靠性至關(guān)重要。建議將保護和濾波電路靠近總線連接器放置，防止瞬態(tài)、ESD和噪聲進入電路板。使用電源和接地平面提供低電感路徑，確保信號的穩(wěn)定傳輸。同時，應(yīng)合理放置旁路和大容量電容，以及總線終端電阻，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。

總結(jié)

TCAN1051-Q1系列CAN收發(fā)器具有豐富的特性和出色的性能，適用于各種汽車和運輸應(yīng)用。通過了解其特性、應(yīng)用和設(shè)計要點，電子工程師可以更好地選擇和使用該系列器件，設(shè)計出高性能、高可靠性的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體需求進行合理的電路設(shè)計和布局優(yōu)化，以充分發(fā)揮器件的優(yōu)勢。你在使用CAN收發(fā)器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。