深入解析TCAN1042：具備CAN FD和故障保護(hù)功能的CAN收發(fā)器

在工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子等眾多領(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)備間通信的首選方案。而CAN收發(fā)器作為CAN總線系統(tǒng)中的關(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。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的TCAN1042系列CAN收發(fā)器。

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一、特性亮點(diǎn)

1. 標(biāo)準(zhǔn)兼容性

TCAN1042系列符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它能夠與遵循這些標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備無縫兼容，為系統(tǒng)集成提供了便利。

2. 數(shù)據(jù)速率支持

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(xiàng)的器件更是支持高達(dá)5Mbps的數(shù)據(jù)速率。這種高速數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠滿足不同應(yīng)用場景下對數(shù)據(jù)傳輸速度的需求，例如在一些對實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)控制和汽車電子系統(tǒng)中，高速數(shù)據(jù)傳輸可以確保信息的及時(shí)傳遞和處理。

3. 傳播延遲與循環(huán)次數(shù)優(yōu)勢

具有較短的對稱傳播延遲時(shí)間和快速循環(huán)次數(shù)，可增加時(shí)序裕量。在有負(fù)載的CAN網(wǎng)絡(luò)中，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率，提高了系統(tǒng)的通信效率和穩(wěn)定性。

4. I/O電壓范圍與理想無源行為

I/O電壓范圍支持3.3V和5V MCU，未供電時(shí)具有理想無源行為。這使得它能夠與不同電壓等級的微控制器兼容，并且在未供電的情況下不會(huì)對總線造成額外負(fù)載，保證了系統(tǒng)的可靠性。

5. 保護(hù)特性豐富

• ESD保護(hù)：HBM ESD保護(hù)高達(dá)±16kV，IEC ESD保護(hù)高達(dá)±15kV，能夠有效抵御靜電放電對器件的損害，提高了器件的抗干擾能力。
• 總線故障保護(hù)：非H型號(hào)的總線故障保護(hù)為±58V，H型號(hào)為±70V，能夠在總線出現(xiàn)故障時(shí)保護(hù)器件不受損壞。
• 欠壓保護(hù)：(V{CC})和(V{IO})（僅限V型號(hào)）電源終端具有欠壓保護(hù)，當(dāng)電源電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，器件會(huì)進(jìn)入保護(hù)模式，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 驅(qū)動(dòng)器顯性超時(shí)（TXD DTO）：數(shù)據(jù)速率低至10kbps時(shí)仍能正常工作，能夠防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致的總線阻塞，保證了總線的正常通信。
• 熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）：當(dāng)器件的結(jié)溫超過設(shè)定閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)電路，防止器件因過熱而損壞，提高了器件的可靠性和使用壽命。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 工業(yè)自動(dòng)化

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，TCAN1042可用于工業(yè)自動(dòng)化、控制、傳感器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的高速、可靠通信，確保工業(yè)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運(yùn)行。例如，在工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，各個(gè)設(shè)備通過CAN總線進(jìn)行通信，TCAN1042作為收發(fā)器，能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2. 重型機(jī)械ISOBUS應(yīng)用

在重型機(jī)械領(lǐng)域，ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于設(shè)備之間的通信。TCAN1042支持高負(fù)載CAN網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足重型機(jī)械ISOBUS應(yīng)用的需求，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的互聯(lián)互通。

3. 樓宇、安全和溫度控制自動(dòng)化

在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中，TCAN1042可用于樓宇、安全和溫度控制自動(dòng)化。它能夠?qū)崿F(xiàn)對各種設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，提高樓宇的智能化水平和安全性。例如，通過CAN總線連接各個(gè)傳感器和控制器，實(shí)現(xiàn)對樓宇內(nèi)溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)。

4. 電信基站狀態(tài)和控制

在電信基站領(lǐng)域，TCAN1042可用于電信基站狀態(tài)和控制。它能夠?qū)崿F(xiàn)對基站設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，確?；镜姆€(wěn)定運(yùn)行。例如，通過CAN總線連接基站內(nèi)的各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的溫度、電壓、電流等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)，提高基站的可靠性和穩(wěn)定性。

三、器件信息

1. 封裝形式

TCAN1042系列采用SOIC (8) 封裝和無引線VSON (8) 封裝（3.0mm x 3.0mm），提高了自動(dòng)光學(xué)檢測（AOI）能力。不同的封裝形式適用于不同的應(yīng)用場景，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

2. 引腳配置

不同型號(hào)的器件引腳配置略有不同，主要分為不帶“V”后綴和帶“V”后綴的兩種類型。不帶“V”后綴的器件引腳5為NC（無連接），而帶“V”后綴的器件引腳5為(V_{IO})，用于I/O電平轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計(jì)使得器件能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，提高了器件的靈活性。

四、電氣特性與性能指標(biāo)

1. 絕對最大額定值與ESD評級

該器件具有明確的絕對最大額定值，包括電壓、電流、溫度等參數(shù)。在使用過程中，必須確保器件的工作條件在這些額定值范圍內(nèi)，否則可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。同時(shí)，器件的ESD評級較高，能夠有效抵御靜電放電的影響，提高了器件的可靠性。

2. 推薦工作條件

推薦工作條件包括(V{CC})、(V{IO})、(I{OH(RXD)})、(I{OL(RXD)})等參數(shù)。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)確保器件的工作條件符合這些推薦值，以保證器件的正常工作和性能穩(wěn)定。

3. 熱信息

熱信息包括熱阻、熱關(guān)斷溫度、熱關(guān)斷滯回等參數(shù)。這些參數(shù)對于評估器件的散熱性能和可靠性非常重要。在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行合理的散熱設(shè)計(jì)，確保器件在正常工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

4. 電氣特性

電氣特性包括電源特性、驅(qū)動(dòng)特性、接收特性等多個(gè)方面。例如，在電源特性方面，器件在不同工作模式下的電流消耗不同，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的工作模式，以降低功耗。在驅(qū)動(dòng)特性方面，器件的輸出電壓、電流等參數(shù)能夠滿足不同負(fù)載的需求，確保信號(hào)的可靠傳輸。在接收特性方面，器件的輸入閾值、共模范圍等參數(shù)能夠保證對信號(hào)的準(zhǔn)確接收。

五、功能模式與工作原理

1. 主要功能模式

TCAN1042系列具有兩種主要的工作模式：正常模式和待機(jī)模式。通過STB輸入終端可以選擇不同的工作模式。

• 正常模式：當(dāng)STB終端為低電平時(shí)，器件進(jìn)入正常模式。在正常模式下，CAN驅(qū)動(dòng)和接收器完全工作，CAN通信是雙向的。驅(qū)動(dòng)將TXD上的數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為CANH和CANL上的差分輸出，接收器將CANH和CANL上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為RXD上的數(shù)字輸出。
• 待機(jī)模式：當(dāng)STB終端為高電平時(shí)，器件進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，總線發(fā)射器不發(fā)送數(shù)據(jù)，正常模式接收器也不接收數(shù)據(jù)，總線線路偏置到地，以最小化系統(tǒng)電源電流。只有低功耗接收器會(huì)主動(dòng)監(jiān)視總線活動(dòng)。當(dāng)在總線上檢測到喚醒模式（WUP）后，RXD會(huì)指示有效的喚醒事件。

  2. TXD顯性超時(shí)（DTO）

  在正常模式下，TXD DTO電路能夠防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致的總線阻塞。當(dāng)TXD長時(shí)間保持顯性狀態(tài)時(shí)，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，釋放總線供其他節(jié)點(diǎn)通信。當(dāng)TXD終端出現(xiàn)隱性信號(hào)時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器會(huì)重新激活，恢復(fù)通信。

  3. 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)電路，阻止TXD到總線的傳輸路徑。在熱關(guān)斷期間，CAN總線終端偏置到隱性電平，接收器到RXD的路徑仍然工作。當(dāng)結(jié)溫下降到熱關(guān)斷溫度以下至少熱關(guān)斷滯回溫度（(T{TSD_HYS})）時(shí)，關(guān)斷條件會(huì)被清除。

  4. 欠壓鎖定

  電源終端具有欠壓檢測功能，當(dāng)(V{CC})或(V{IO})電源電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，器件會(huì)進(jìn)入保護(hù)模式，以保護(hù)總線。不同型號(hào)的器件在欠壓情況下的狀態(tài)和輸出有所不同，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

六、應(yīng)用設(shè)計(jì)與注意事項(xiàng)

1. 總線設(shè)計(jì)

在CAN總線設(shè)計(jì)中，需要考慮總線負(fù)載、長度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量等因素。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，但通過精心設(shè)計(jì)，用戶可以使用更長的電纜、更長的分支長度和更多的節(jié)點(diǎn)。TCAN1042系列具有高輸入阻抗，能夠滿足大量節(jié)點(diǎn)的需求。

2. CAN終端

CAN總線的終端非常重要，ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定互連應(yīng)為具有120Ω特性阻抗的雙絞線電纜。應(yīng)使用等于線路特性阻抗的電阻來終止電纜的兩端，以防止信號(hào)反射。未終止的分支線路應(yīng)盡可能短，以最小化信號(hào)反射。終端可以在電纜上或節(jié)點(diǎn)中，但如果節(jié)點(diǎn)可能從總線上移除，則必須小心放置終端，以確保網(wǎng)絡(luò)上始終存在兩個(gè)終端。

3. 電源供應(yīng)

器件的電源供應(yīng)需要穩(wěn)定，(V{CC})輸入電源電壓范圍為4.5V至5.5V，(V{IO})輸入電源電壓范圍為3V至5.5V。建議在CAN收發(fā)器的主要(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})電源終端附近放置一個(gè)旁路電容（通常為0.1μF），以減少電源電壓紋波。

4. 布局設(shè)計(jì)

在PCB設(shè)計(jì)中，需要采用高頻布局技術(shù)，以防止ESD和瞬態(tài)干擾。保護(hù)和濾波電路應(yīng)盡可能靠近總線連接器，以防止瞬態(tài)、ESD和噪聲傳播到電路板上。使用電源和接地平面提供低電感，旁路和大容量電容應(yīng)盡可能靠近收發(fā)器的電源終端。

七、總結(jié)與展望

TCAN1042系列CAN收發(fā)器憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的性能指標(biāo)，成為了CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的理想選擇。它能夠滿足不同用戶的需求，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在未來的設(shè)計(jì)中，電子工程師們可以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)出更加高效、可靠的CAN總線系統(tǒng)。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我們也期待著TCAN1042系列能夠不斷升級和完善，為更多的應(yīng)用場景提供更好的解決方案。

你在使用TCAN1042系列CAN收發(fā)器的過程中遇到過哪些問題？你對該器件的性能和應(yīng)用有什么獨(dú)特的見解？歡迎在評論區(qū)留言分享！