汽車級(jí) CAN 收發(fā)器 TCAN1051-Q1 深度剖析

引言

在汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線憑借其高可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，成為了設(shè)備間通信的主流選擇。而 CAN 收發(fā)器作為 CAN 總線系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信效率。TI（德州儀器）推出的 TCAN1051-Q1 系列 CAN 收發(fā)器，以其卓越的特性和廣泛的應(yīng)用場景，備受工程師們的關(guān)注。本文將深入解析 TCAN1051-Q1 系列收發(fā)器的技術(shù)細(xì)節(jié)、應(yīng)用要點(diǎn)以及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

文件下載：tcan1051hgv-q1.pdf

一、產(chǎn)品概述

TCAN1051-Q1 系列是一系列具有 CAN FD（Flexible Data Rate）和故障保護(hù)功能的汽車類 CAN 收發(fā)器，包括 TCAN1051-Q1、TCAN1051V-Q1、TCAN1051H-Q1、TCAN1051HV-Q1、TCAN1051G-Q1、TCAN1051GV-Q1、TCAN1051HG-Q1 和 TCAN1051HGV-Q1 等型號(hào)。該系列產(chǎn)品符合 AEC Q100 標(biāo)準(zhǔn)，能滿足汽車應(yīng)用在溫度、靜電放電等方面的嚴(yán)格要求，同時(shí)符合 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理層標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)的兼容性和可靠性提供了有力保障。

特性亮點(diǎn)

1. 電氣特性：工作溫度范圍廣，可達(dá) -40°C 至 125°C，適用于各種惡劣的汽車環(huán)境。具備出色的 ESD（Electro-Static Discharge）保護(hù)能力，HBM（Human Body Model）分級(jí)等級(jí)達(dá) ±16kV，CDM（Charged Device Model）分級(jí)等級(jí)達(dá) ±1500V，有效防止靜電對器件的損害。
2. 通信能力：支持經(jīng)典 CAN 和 2Mbps CAN FD，部分“G”選項(xiàng)型號(hào)更支持高達(dá) 5Mbps 的數(shù)據(jù)速率，滿足不同應(yīng)用場景對數(shù)據(jù)傳輸速度的需求。同時(shí)，具有較短的對稱傳播延遲時(shí)間和快速循環(huán)次數(shù)，增加了時(shí)序裕量，可在有負(fù)載的 CAN 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率。
3. EMC 性能：支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3 標(biāo)準(zhǔn)（最高 500kbps），無需共模扼流圈，降低了系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
4. 電源兼容性：I/O 電壓范圍支持 3.3V 和 5V MCU，可靈活適配不同的微控制器，提高了系統(tǒng)的通用性。
5. 保護(hù)特性：具備多種保護(hù)機(jī)制，如 IEC ESD 保護(hù)高達(dá) ±15kV，總線故障保護(hù)（非 H 型號(hào)為 ±58V，H 型號(hào)為 ±70V），$V{CC}$ 和 $V{IO}$（僅限 V 型號(hào)）電源終端欠壓保護(hù)，驅(qū)動(dòng)器顯性超時(shí)（TXD DTO）以及熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）等，有效提高了器件和網(wǎng)絡(luò)的耐用性。
6. 封裝形式：采用 SOIC (8) 封裝和無引線 VSON (8) 封裝（3.0mm x 3.0mm），具有改進(jìn)的自動(dòng)光學(xué)檢查（AOI）功能，方便生產(chǎn)制造和質(zhì)量檢測。

應(yīng)用場景

該系列收發(fā)器廣泛應(yīng)用于汽車和運(yùn)輸領(lǐng)域，適用于高負(fù)載 CAN 網(wǎng)絡(luò)，如重型機(jī)械、ISOBUS 應(yīng)用（ISO 11783）等。在這些場景中，對通信的可靠性和實(shí)時(shí)性要求極高，TCAN1051-Q1 系列的高性能和豐富的保護(hù)特性能夠很好地滿足需求。

二、技術(shù)參數(shù)詳解

絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。TCAN1051-Q1 系列的主要絕對最大額定值如下：

• 電源電壓：$V{CC}$（5-V 總線電源電壓范圍）和 $V{IO}$（I/O 電平轉(zhuǎn)換電壓范圍）均為 -0.3V 至 7V。
• CAN 總線 I/O 電壓范圍：無 “H” 后綴的器件為 -58V 至 58V，有 “H” 后綴的器件為 -70V 至 70V。
• 邏輯輸入和輸出終端電壓范圍：均為 -0.3V 至 +7V 且 $V{I}≤V{IO}+0.3V$。
• 虛擬結(jié)溫范圍：-55°C 至 150°C。
• 存儲(chǔ)溫度范圍：-65°C 至 150°C。

ESD 評級(jí)

ESD 是電子設(shè)備在使用過程中常見的問題，可能會(huì)對器件造成永久性損壞。TCAN1051-Q1 系列在不同測試條件下的 ESD 評級(jí)表現(xiàn)出色：

• 人體模型（HBM）：D (SOIC) 封裝和 DRB (VSON) 封裝的所有終端均為 ±6000V，CAN 總線終端（CANH, CANL）至 GND 為 ±16000V。
• 帶電設(shè)備模型（CDM）：所有終端均為 ±1500V。
• 機(jī)器模型：所有終端均為 ±200V。

推薦工作條件

為了使器件性能達(dá)到最佳，需要在推薦的工作條件下使用。推薦工作條件如下：

• $V_{CC}$：4.5V 至 5.5V。
• $V_{IO}$：2.8V 至 5.5V。
• $I_{OH(RXD)}$：-2mA 至 0mA。
• $I_{OL(RXD)}$：0mA 至 2mA。

電氣特性

電氣特性是衡量器件性能的重要指標(biāo)，包括電源特性、輸入輸出特性等。以下是部分關(guān)鍵電氣特性：

• 電源電流：在正常模式（顯性）下，典型值為 40mA 至 80mA；正常模式（隱性）和靜音模式下，典型值為 1.5mA 至 2.5mA。
• 輸入閾值電壓：TXD 和 S 引腳的高電平輸入電壓和低電平輸入電壓根據(jù)是否有 “V” 后綴有所不同，有 “V” 后綴的器件與 $V_{IO}$ 相關(guān)，無 “V” 后綴的器件為固定值。
• 輸出電壓：RXD 引腳的高電平輸出電壓和低電平輸出電壓也與是否有 “V” 后綴有關(guān)。

開關(guān)特性

開關(guān)特性影響著器件的信號(hào)傳輸速度和時(shí)序，主要包括總環(huán)路延遲、模式切換時(shí)間、傳播延遲時(shí)間等。例如，總環(huán)路延遲（從驅(qū)動(dòng)器輸入 TXD 到接收器輸出 RXD）在隱性到顯性和顯性到隱性狀態(tài)下分別為典型值 100ns 至 175ns 和 110ns 至 175ns。

三、功能特性分析

TXD 顯性超時(shí)（DTO）

在正常模式下，當(dāng) TXD 持續(xù)保持顯性狀態(tài)超過預(yù)設(shè)的超時(shí)時(shí)間 $t_{TXD_DTO}$ 時(shí)，TXD DTO 電路會(huì)自動(dòng)禁用 CAN 總線驅(qū)動(dòng)器，避免因硬件或軟件故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信阻塞。當(dāng) TXD 恢復(fù)隱性信號(hào)時(shí)，CAN 驅(qū)動(dòng)器重新激活。需要注意的是，TXD DTO 電路允許的最小顯性 TXD 時(shí)間會(huì)限制器件的最小傳輸數(shù)據(jù)速率。

熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)器件的結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值 $T{TSD}$ 時(shí)，器件會(huì)關(guān)閉 CAN 驅(qū)動(dòng)器電路，阻止 TXD 到總線的傳輸路徑，以保護(hù)器件免受過熱損壞。當(dāng)結(jié)溫下降到低于熱關(guān)斷溫度 $T{TSD}$ 至少熱關(guān)斷滯后溫度 $T_{TSD_HYS}$ 時(shí)，關(guān)斷條件解除。

欠壓鎖定

當(dāng) $V{CC}$ 或 $V{IO}$ 電源終端出現(xiàn)欠壓事件時(shí)，欠壓檢測功能會(huì)將器件置于保護(hù)模式，保護(hù)總線不受影響。不同后綴的器件在欠壓情況下的表現(xiàn)有所不同，具體可參考文檔中的表格。

無電源狀態(tài)

當(dāng)器件未供電時(shí)，其總線終端（CANH, CANL）和邏輯終端具有極低的泄漏電流，呈高阻態(tài)，不會(huì)對總線和其他電路造成負(fù)載，確保了在部分節(jié)點(diǎn)未供電的情況下，網(wǎng)絡(luò)仍能正常運(yùn)行。

浮動(dòng)終端

為了使器件在終端浮空時(shí)處于已知狀態(tài)，關(guān)鍵終端（如 TXD 和 S）具有內(nèi)部上拉或下拉電阻。TXD 終端上拉至 $V{CC}$ 或 $V{IO}$，S 終端下拉至 GND。

CAN 總線短路電流限制

當(dāng) CAN 總線線路發(fā)生短路故障時(shí)，器件具有兩種保護(hù)特性：驅(qū)動(dòng)器電流限制（包括顯性和隱性狀態(tài)）和 TXD 顯性狀態(tài)超時(shí)，以防止系統(tǒng)故障時(shí)顯性狀態(tài)的永久性高短路電流。計(jì)算總線的平均短路電流時(shí)，需要考慮顯性和隱性位的比例以及它們各自的短路電流。

數(shù)字輸入和輸出

根據(jù)是否有 “V” 后綴，器件的數(shù)字輸入和輸出特性有所不同。無 “V” 后綴的器件使用單一 5-V 電源，數(shù)字輸入具有 TTL 輸入閾值，RXD 輸出驅(qū)動(dòng)到 $V{CC}$ 軌；有 “V” 后綴的器件使用 5V $V{CC}$ 電源和 $V_{IO}$ 電源進(jìn)行 I/O 電平轉(zhuǎn)換，可設(shè)置 TXD 和 S 引腳的 CMOS 輸入閾值以及 RXD 高電平輸出電壓。

器件功能模式

器件具有兩種主要工作模式：正常模式和靜音模式，通過 S 輸入端子進(jìn)行選擇。

• 正常模式：S 端子置低，CAN 驅(qū)動(dòng)器和接收器均正常工作，CAN 通信雙向進(jìn)行。
• 靜音模式：S 端子置高，CAN 驅(qū)動(dòng)器禁用，接收器仍保持活動(dòng)狀態(tài)，可繼續(xù)接收 CAN 總線通信數(shù)據(jù)。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

總線負(fù)載、長度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量

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。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過合理選擇高輸入阻抗的收發(fā)器（如 TCAN1051 系列），可以增加總線長度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。理論上，TCAN1051 系列支持在單個(gè)總線段上最多連接 100 個(gè)收發(fā)器，但實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮信號(hào)損失、寄生負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)不平衡、接地偏移和信號(hào)完整性等因素，因此實(shí)際最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量通常要低得多。

CAN 終端匹配

為了防止信號(hào)反射，ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)要求使用與電纜特性阻抗相等的電阻（通常為 120Ω）對電纜兩端進(jìn)行終端匹配?？梢允褂脝蝹€(gè) 120-Ω 電阻進(jìn)行終端匹配，也可以采用分裂終端匹配方式，以提高網(wǎng)絡(luò)的電磁發(fā)射性能。同時(shí)，連接節(jié)點(diǎn)到總線的未終端分支線（短截線）應(yīng)盡量短。

電源供應(yīng)

器件的 $V{CC}$ 輸入電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，部分器件的 $V{IO}$ 輸出電平轉(zhuǎn)換電源輸入范圍為 3V 至 5.5V。為了減少電源電壓紋波，應(yīng)在 CAN 收發(fā)器的主 $V{CC}$ 電源輸出附近放置一個(gè)大容量電容（通常為 4.7μF），并在器件的 $V{CC}$ 和 $V_{IO}$ 電源端子附近放置一個(gè)旁路電容（通常為 0.1μF）。

PCB 布局

在工業(yè)環(huán)境中，為了保護(hù)器件免受 EFT（Electrical Fast Transient）和浪涌瞬變的影響，通常需要使用外部瞬態(tài)保護(hù)器件。在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用高頻布局技術(shù)，將 TVS 二極管和總線濾波電容盡量靠近板上連接器放置，以防止噪聲瞬態(tài)事件進(jìn)一步傳播到 PCB 和系統(tǒng)中。同時(shí)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)總線保護(hù)組件的方向，使用電源和接地平面提供低電感路徑，減少旁路電容和保護(hù)器件的連接電感。

五、總結(jié)

TCAN1051-Q1 系列 CAN 收發(fā)器以其豐富的特性、出色的性能和廣泛的應(yīng)用場景，為汽車和工業(yè)控制領(lǐng)域的 CAN 總線通信提供了可靠的解決方案。工程師在設(shè)計(jì)過程中，需要充分了解器件的技術(shù)參數(shù)和功能特性，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，合理選擇器件型號(hào)和封裝形式，并注意總線負(fù)載、終端匹配、電源供應(yīng)和 PCB 布局等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為工程師們在使用 TCAN1051-Q1 系列收發(fā)器時(shí)提供有益的參考。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過與 CAN 收發(fā)器相關(guān)的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。