TCAN1051：具有CAN FD和故障保護(hù)功能的CAN收發(fā)器深度解析

在電子工程師的日常工作中，CAN收發(fā)器是構(gòu)建可靠通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組件。今天，我們來深入探討一下TI公司的TCAN1051系列CAN收發(fā)器，它在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了卓越的性能和可靠性。

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一、產(chǎn)品概述

TCAN1051系列包括TCAN1051、TCAN1051G、TCAN1051GV等多種型號(hào)，符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)，為CAN FD網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)大的支持。所有器件均設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)速率高達(dá)2Mbps的CAN FD網(wǎng)絡(luò)，而帶有“G”后綴的器件更是能實(shí)現(xiàn)高達(dá)5Mbps的數(shù)據(jù)速率，滿足了不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

二、特性亮點(diǎn)

2.1 高速與兼容性

• 支持多種CAN標(biāo)準(zhǔn)：支持經(jīng)典CAN和2Mbps CAN FD，“G”選項(xiàng)還支持5Mbps，為不同的CAN應(yīng)用提供了靈活的選擇。
• I/O電壓范圍廣：I/O電壓范圍支持3.3V和5V MCU，方便與不同電壓的微控制器進(jìn)行接口。

2.2 保護(hù)特性

• ESD保護(hù)：HBM ESD保護(hù)高達(dá)±16kV，IEC ESD保護(hù)高達(dá)±15kV，有效防止靜電對(duì)器件的損壞。
• 總線故障保護(hù)：非H型號(hào)提供±58V的總線故障保護(hù)，H型號(hào)更是達(dá)到了±70V，增強(qiáng)了器件在惡劣環(huán)境下的可靠性。
• 其他保護(hù)功能：包括$V_{CC}$和VIO（僅限V型號(hào)）電源終端的欠壓保護(hù)、驅(qū)動(dòng)器顯性超時(shí)（TXD DTO）和熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）等，全方位保障器件和網(wǎng)絡(luò)的安全。

2.3 理想無源行為

未供電時(shí)，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)，在總線和RXD輸出上實(shí)現(xiàn)上電/斷電無干擾運(yùn)行，避免對(duì)其他節(jié)點(diǎn)造成影響。

2.4 封裝優(yōu)勢(shì)

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)制造和檢測(cè)。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 工業(yè)領(lǐng)域

適用于工業(yè)自動(dòng)化、控制、傳感器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及樓宇、安全和溫度控制自動(dòng)化等場(chǎng)景，為工業(yè)設(shè)備之間的可靠通信提供保障。

3.2 交通運(yùn)輸

可用于重型機(jī)械ISOBUS應(yīng)用ISO 11783，滿足交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)Ω哓?fù)載CAN網(wǎng)絡(luò)的需求。

3.3 通信領(lǐng)域

在電信基站狀態(tài)和控制中也有廣泛應(yīng)用，確?；驹O(shè)備之間的穩(wěn)定通信。

3.4 其他CAN總線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用

諸如CANopen、DeviceNet、NMEA2000、ARNIC825、ISO11783、CANaerospace等CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用場(chǎng)景中，TCAN1051都能發(fā)揮重要作用。

四、技術(shù)規(guī)格詳解

4.1 絕對(duì)最大額定值

規(guī)定了器件在不同參數(shù)下的最大承受范圍，如$V_{CC}$的電壓范圍為 - 0.3V至7V，不同型號(hào)的CAN總線I/O電壓范圍也有所不同，非H型號(hào)為 - 58V至58V，H型號(hào)為 - 70V至70V等。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些額定值，以確保器件的安全運(yùn)行。

4.2 ESD評(píng)級(jí)

詳細(xì)列出了不同封裝（D(SOIC)和DRB(VSON)）下的ESD測(cè)試條件和對(duì)應(yīng)數(shù)值，如人體模型（HBM）ESD應(yīng)力電壓在所有終端可達(dá)±6000V，CAN總線終端（CANH, CANL）至GND更是高達(dá)±16000V，反映了器件良好的防靜電能力。

4.3 推薦工作條件

明確了$V{CC}$和$V{IO}$的推薦電壓范圍，以及RXD終端的輸出電流要求，為工程師在實(shí)際應(yīng)用中提供了準(zhǔn)確的參考。

4.4 電氣特性

包含了Supply Characteristics、S Terminal、TXD Terminal、RXD Terminal等多個(gè)方面的電氣參數(shù)，如5 - V Supply current在不同模式下的典型值和最大值，不同終端的輸入輸出電壓、電流、電容等特性，這些參數(shù)對(duì)于電路設(shè)計(jì)和性能分析至關(guān)重要。

4.5 開關(guān)特性

規(guī)定了器件在不同狀態(tài)下的開關(guān)時(shí)間，如總循環(huán)延遲、模式更改時(shí)間、傳播延遲時(shí)間等，對(duì)于確保信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性具有重要意義。

4.6 典型特性

通過圖表展示了$V{OD(D)}$隨溫度、$V{CC}$的變化，以及$I_{CC}$ Recessive隨溫度的變化等典型特性曲線，幫助工程師直觀了解器件在不同條件下的性能表現(xiàn)。

五、功能特性深入剖析

5.1 TXD Dominant Timeout (DTO)

在正常模式下，當(dāng)TXD被長(zhǎng)時(shí)間保持為顯性狀態(tài)時(shí)，TXD DTO電路會(huì)在超時(shí)時(shí)間$t_{TXD_DTO}$后禁用CAN總線驅(qū)動(dòng)器，避免阻塞網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)TXD出現(xiàn)隱性信號(hào)時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器會(huì)重新激活，恢復(fù)正常通信。需要注意的是，TXD DTO電路允許的最小TXD顯性時(shí)間限制了器件的最小傳輸數(shù)據(jù)速率。

5.2 Thermal Shutdown (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，將CAN總線終端偏置到隱性電平，同時(shí)接收器到RXD的路徑仍保持工作。當(dāng)結(jié)溫下降到低于$T{TSD}$至少熱關(guān)斷滯后溫度$T_{TSD_HYS}$時(shí)，關(guān)斷條件解除。

5.3 Undervoltage Lockout

當(dāng)$V{CC}$或$V{IO}$電源終端出現(xiàn)欠壓事件時(shí)，器件會(huì)進(jìn)入保護(hù)模式，根據(jù)不同的欠壓情況，總線輸出和RXD會(huì)呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，如高阻抗或鏡像總線狀態(tài)等。在欠壓條件清除且電源恢復(fù)到有效水平后，器件通常會(huì)在50μs內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行。

5.4 Unpowered Device

未供電時(shí)，器件對(duì)CAN總線呈現(xiàn)“理想無源”狀態(tài)，總線和邏輯終端的泄漏電流極低，避免對(duì)其他節(jié)點(diǎn)造成負(fù)載影響，確保網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

5.5 Floating Terminals

關(guān)鍵終端具有內(nèi)部上拉電阻，當(dāng)終端浮空時(shí)，能使器件處于已知狀態(tài)。例如，TXD終端會(huì)被上拉到$V{CC}$或$V{IO}$，S終端會(huì)被下拉，使器件進(jìn)入正常模式。

5.6 CAN Bus Short Circuit Current Limiting

器件具備兩種保護(hù)功能來限制CAN總線短路時(shí)的電流，即驅(qū)動(dòng)器電流限制和TXD顯性狀態(tài)超時(shí)。通過考慮CAN幀中的數(shù)據(jù)以及協(xié)議和物理層的相關(guān)因素，可以計(jì)算出總線的平均短路電流，在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要根據(jù)這些因素合理選擇終端電阻和其他網(wǎng)絡(luò)組件的功率額定值。

5.7 Digital Inputs and Outputs

• 5 - V $V_{CC}$ Only Devices：由單5 - V電源供電，數(shù)字輸入具有TTL輸入閾值，與5V和3.3V兼容，RXD輸出在邏輯高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)到$V_{CC}$。在與具有開漏TXD輸出的CAN控制器配合使用時(shí)，需要特別考慮TXD上拉強(qiáng)度和CAN位時(shí)序，使用適當(dāng)?shù)耐獠可侠娮琛?/li>
• 5 V $V{CC}$ with $V{IO}$ I/O Level Shifting：使用5V $V{CC}$電源為CAN驅(qū)動(dòng)器和高速接收器模塊供電，同時(shí)具有用于I/O電平轉(zhuǎn)換的$V{IO}$電源，用于設(shè)置TXD和S引腳的CMOS輸入閾值以及RXD高電平輸出電壓。

六、設(shè)備功能模式

6.1 正常模式（Normal Mode）

將S終端設(shè)置為低電平時(shí)，進(jìn)入正常模式。此時(shí)CAN驅(qū)動(dòng)器和接收器完全工作，實(shí)現(xiàn)CAN通信的雙向傳輸。驅(qū)動(dòng)器將TXD的數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為CANH和CANL的差分輸出，接收器將CANH和CANL的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為RXD的數(shù)字輸出。

6.2 靜音模式（Silent Mode）

將S終端設(shè)置為高電平時(shí)，激活靜音模式。CAN驅(qū)動(dòng)器被禁用，阻止從TXD引腳到CAN總線的通信，但高速接收器仍然工作，CAN總線的通信信息會(huì)繼續(xù)傳輸?shù)絉XD輸出引腳。

七、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

7.1 設(shè)計(jì)要求

• 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)度和最大分支長(zhǎng)度，但通過精心設(shè)計(jì)，可以增加電纜長(zhǎng)度、分支長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。TCAN1051系列具有高輸入阻抗，理論上支持在單個(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)不平衡等因素，合理確定節(jié)點(diǎn)數(shù)量和總線長(zhǎng)度。
• CAN終端：ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用120Ω特性阻抗的雙絞線電纜，并在電纜兩端使用相同阻值的電阻進(jìn)行終端匹配，以防止信號(hào)反射。可以采用單120 - Ω電阻終端或分裂終端，分裂終端有助于改善網(wǎng)絡(luò)的電磁發(fā)射特性。

7.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)程序

• CAN終端：確保電纜兩端的終端電阻匹配，盡量縮短連接節(jié)點(diǎn)到總線的未終端分支線長(zhǎng)度。如果需要對(duì)總線的共模電壓進(jìn)行濾波和穩(wěn)定，可以使用分裂終端。
• 布局設(shè)計(jì)：在PCB設(shè)計(jì)中，要將保護(hù)和濾波電路靠近總線連接器，使用$V_{CC}$和接地平面提供低電感，旁路和大容量電容要盡量靠近收發(fā)器的電源端子，合理設(shè)計(jì)總線終端和數(shù)字線路的限流電阻等。

7.3 電源供應(yīng)建議

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，兩個(gè)電源輸入都必須進(jìn)行良好的穩(wěn)壓處理。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），以減少電源電壓紋波和補(bǔ)償PCB電源平面和走線的電阻和電感。

八、總結(jié)

TCAN1051系列CAN收發(fā)器憑借其高速、可靠、多功能等特點(diǎn)，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，我們需要充分了解其特性、規(guī)格和應(yīng)用要點(diǎn)，合理選擇和使用該器件，以確保設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過類似CAN收發(fā)器的設(shè)計(jì)難題呢？你又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。