具備 CAN FD 的 TCAN33x 3.3V CAN 收發(fā)器：設計與應用全解析

在工業(yè)自動化、汽車電子等眾多領域，CAN（Controller Area Network）總線憑借其高可靠性、實時性和抗干擾能力，成為了設備間通信的主流選擇。而 CAN 收發(fā)器作為 CAN 總線系統(tǒng)中的關鍵組件，其性能優(yōu)劣直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信效率。今天，我們就來深入探討一下 TI 推出的具備 CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率）的 TCAN33x 3.3V CAN 收發(fā)器。

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一、特性亮點

1. 電源與速率優(yōu)勢

TCAN33x 系列采用 3.3V 單電源工作，這使得它可以直接連接 3.3V CAN 控制器/MCU，簡化了電路設計。同時，TCAN33xG 器件的數(shù)據(jù)速率高達 5Mbps，能夠滿足高速通信的需求，而普通的 TCAN33x 器件數(shù)據(jù)傳輸速率也能達到 1Mbps，為不同應用場景提供了靈活的選擇。

2. 標準兼容性

該系列器件符合 ISO 11898 - 2 標準，這意味著它能夠與其他符合該標準的 CAN 設備無縫兼容，保證了在不同系統(tǒng)中的通用性和互操作性。

3. 封裝形式多樣

提供 SOIC - 8 和 SOT - 23 兩種封裝選項。SOIC - 8 封裝便于插接，適用于大多數(shù)常規(guī)應用；而 SOT - 23 封裝則更小巧，適合空間受限的應用場景，如小型傳感器節(jié)點、便攜式設備等。

4. 工作模式豐富

• 正常模式：所有器件都支持的基本工作模式，CAN 驅動和接收器完全工作，實現(xiàn)雙向通信。
• 低功耗待機模式：僅 TCAN334 具備，具有喚醒功能。在該模式下，CAN 驅動和主接收器關閉，低功耗接收器和總線監(jiān)視器開啟，可通過 CAN 總線進行喚醒請求，大大降低了功耗，適合對功耗要求較高的應用。
• 靜音模式：TCAN330 和 TCAN337 支持，此時 CAN 驅動禁用，接收器正常工作，實現(xiàn)單向接收功能，可用于只需要監(jiān)聽總線數(shù)據(jù)的場景。
• 關斷模式：TCAN330 和 TCAN334 支持，這是最低功耗模式，CAN 驅動和接收器都關閉，總線引腳被拉至 GND，無法進行通信，但能最大程度降低功耗。

5. 寬電壓范圍與保護特性

• 寬共模工作電壓范圍：具備 ±12V 的寬共模工作電壓范圍，能適應復雜的電磁環(huán)境，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。
• 總線引腳故障保護：總線引腳具有 ±14V 的故障保護，可防止因過壓、短路等故障對器件造成損壞。
• ESD 保護：總線終端具有出色的 ESD 保護，HBM ESD 保護超過 ±25kV，IEC61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電保護超過 ±12kV，有效提高了器件的可靠性。
• 其他保護特性：還具備驅動器顯性超時（TXD DTO）、接收器顯性超時（RXD DTO）、(V_{CC}) 欠壓保護、熱關斷保護和總線引腳限流等功能，全方位保障了 CAN 網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

6. 低延遲與寬溫度范圍

總環(huán)路延遲 < 135ns，確保了數(shù)據(jù)的快速傳輸和響應。工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，能適應各種惡劣的工業(yè)和汽車環(huán)境。

7. 優(yōu)化的未上電性能

未上電時，總線和邏輯引腳為高阻抗，不會對運行總線或應用產(chǎn)生負載；上電/斷電過程中無干擾運行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

8. 出色的 EMC 性能

由于顯性共模和隱性共模相匹配，該系列器件具有出色的 EMC 性能，能有效減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

二、應用領域

1. 高速 CAN 網(wǎng)絡

TCAN33xG 器件可實現(xiàn)具有靈活數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡的 CAN 中的 5Mbps 運行，適用于對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的應用，如高速傳感器數(shù)據(jù)采集、工業(yè)機器人控制等。

2. 高負載 CAN 網(wǎng)絡

在高負載 CAN 網(wǎng)絡中，1Mbps 的運行速率也能滿足大多數(shù)應用需求，可廣泛應用于工業(yè)自動化、控制、傳感器和驅動系統(tǒng)等領域。

3. 自動化系統(tǒng)

在樓宇、安全和溫度控制自動化系統(tǒng)中，TCAN33x 收發(fā)器可實現(xiàn)設備間的可靠通信，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4. 電信基站

用于電信基站的狀態(tài)和控制，實時傳輸基站的運行數(shù)據(jù)和控制指令。

5. 遵循多種 CAN 總線標準

支持 CANopen、DeviceNet、NMEA2000、ARINC825、ISO11783、CANaerospace 等多種 CAN 總線標準，適用于不同行業(yè)的特定應用需求。

三、詳細說明

1. 標準兼容性與數(shù)據(jù)速率

TCAN33x 器件系列與 ISO 11898 高速 CAN 物理層標準兼容。其中，TCAN330、TCAN332、TCAN334 和 TCAN337 的數(shù)據(jù)傳輸速率均高達 1Mbps；而 TCAN330G、TCAN332G、TCAN334G 和 TCAN337G 器件則支持更高的數(shù)據(jù)速率，其 ISO 11898 - 2 更新版本發(fā)布正在審理中，包括 CAN FD 和定義環(huán)路延遲對稱的附加時序參數(shù)。

2. 保護特性確保網(wǎng)絡穩(wěn)定

該器件具有許多保護特性，其中驅動器和接收器顯性超時（DTO）特性尤為重要。TXD DTO 可防止因硬件或軟件故障導致 TXD 長時間保持顯性狀態(tài)，從而阻塞網(wǎng)絡通信；RXD DTO 則可防止總線長時間處于顯性狀態(tài)時，RXD 輸出一直保持低電平，確保了 CAN 網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

3. ESD 保護增強系統(tǒng)可靠性

集成了 12kV IEC - 61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電保護，無需使用附加組件即可確保系統(tǒng)級的穩(wěn)定性，降低了設計成本和復雜度。

4. 電源兼容性與低功耗特性

通過使用 3.3V 單電源，收發(fā)器可以直接連接 3.3V CAN 控制器/MCU，同時完全兼容同一總線上的其他 5V CAN 收發(fā)器。超低功耗的關斷模式和待機模式，對電池供電型應用極具吸引力，可有效延長設備的續(xù)航時間。

5. 封裝特點

提供便于插接的標準 8 引腳 SOIC 封裝以及面向空間受限類應用的小型 SOT - 23 封裝，滿足不同設計需求。

四、參數(shù)規(guī)格

1. 絕對最大額定值

• 電源電壓范圍 (V_{CC})：- 0.3V 至 5V
• 總線終端電壓 (V)：- 14V 至 14V
• 邏輯輸入/輸出終端電壓范圍：- 0.3V 至 5V
• 邏輯輸出電流 (I_{O(LOGIC)})：最大 8mA
• 工作結溫范圍 (T_J)：- 40°C 至 150°C
• 存儲溫度 (T_{stg})：最大 150°C

2. ESD 評級

• HBM 模型：所有引腳（除 CANH 和 CANL） ±4000V，CANH 和 CANL 引腳 ±25000V
• CDM 模型：所有引腳 ±1500V
• IEC 61400 - 4 - 2 接觸放電：CANH 和 CANL 端子至 GND ±12000V

3. 推薦工作條件

• 電源電壓 (V_{CC})：3V 至 3.6V
• 邏輯終端高電平輸出電流 (I_{OH(LOGIC)})：- 2mA
• 邏輯終端低電平輸出電流 (I_{OL(LOGIC)})：最大 2mA
• 工作環(huán)境溫度 (T_A)：- 40°C 至 125°C

4. 熱信息

不同封裝的熱阻參數(shù)有所不同，如 SOIC - 8 封裝的結到環(huán)境熱阻 (R{θJA}) 為 114.4°C/W，SOT - 23 - 8 封裝的結到環(huán)境熱阻 (R{θJA}) 為 154.4°C/W。熱關斷溫度為 175°C，熱關斷滯后為 5°C。

5. 電氣特性

• 電源電流：不同工作模式下的電源電流不同，如正常模式下，典型總線負載時最大為 55mA，高總線負載時最大為 60mA；靜音模式下最大為 2.5mA；待機模式下，溫度低于 85°C 時最大為 20μA；關斷模式下，溫度低于 85°C 時最大為 2.5μA。
• 驅動器輸出電壓：總線輸出電壓（顯性）CANH 為 2.45V 至 (V_{CC})，CANL 為 0.5V 至 1.25V；總線輸出電壓（隱性）為 1.85V。
• 接收器特性：輸入閾值電壓在正常模式和選擇性喚醒模式下為 500mV 至 900mV，滯回電壓為 120mV，共模范圍為 - 12V 至 12V。

6. 開關特性

• 總環(huán)路延遲：在不同負載條件下，總環(huán)路延遲在 100ns 至 180ns 之間。
• 模式切換時間：模式變化時間為 5μs 至 10μs。
• 驅動和接收器傳播延遲：驅動高電平到隱性的傳播延遲 (t{pHR}) 為 25ns，低電平到顯性的傳播延遲 (t{pLD}) 為 20ns；接收器總線隱性輸入到高 RXD 輸出的傳播延遲 (t{pRH}) 為 62ns，總線顯性輸入到 RXD 低輸出的傳播延遲 (t{pDL}) 為 56ns。
• 顯性超時時間：TXD 顯性超時 (t_{TXDDTO}) 為 1.2ms 至 3.8ms，RXD 顯性超時 (t{RXD_DTO}) 為 1.6ms 至 5ms。

五、應用設計要點

1. 總線負載、長度和節(jié)點數(shù)量

ISO 11898 標準規(guī)定數(shù)據(jù)速率最高為 1Mbps，最大 CAN 總線電纜長度為 40m，最大分支線長度為 0.3m，最多 30 個節(jié)點。但通過精心的網(wǎng)絡設計，系統(tǒng)可以有更長的電纜、更長的分支線和更多的節(jié)點。TCAN33x 系列具有高輸入阻抗和寬共模范圍，適用于高節(jié)點數(shù)的網(wǎng)絡。在設計 CAN 網(wǎng)絡時，需要考慮信號損失、寄生負載、網(wǎng)絡不平衡、接地偏移和信號完整性等因素，合理確定節(jié)點數(shù)量和總線長度。

2. 典型應用電路

典型的 3.3V 應用電路包括 3 - V 電壓調節(jié)器、TCAN33x CAN 收發(fā)器和 3 - V MCU。在設計時，需要注意 CAN 總線的終端匹配，通常在總線兩端使用 120Ω 電阻進行終端匹配，以防止信號反射。如果需要對總線的共模電壓進行濾波和穩(wěn)定，可以使用分裂終端，即使用兩個 60Ω 電阻和一個電容。

3. 電源供應建議

為了確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運行，每個電源都應使用一個 100nF 陶瓷電容進行去耦，且該電容應盡可能靠近 (V_{CC}) 電源引腳。TPS76333 是適合 3.3V 電源的線性電壓調節(jié)器。

4. PCB 布局指南

• 保護和濾波電路設計：由于 ESD 和 EFT 瞬變具有較寬的頻率帶寬（約 3MHz 至 3GHz），在 PCB 設計時應采用高頻布局技術。在 CANH 和 CANL 上使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）和電容進行額外的系統(tǒng)級保護，這些器件應盡可能靠近連接器放置。
• 總線終端：采用分裂終端時，要注意將終端電阻和電容合理布局，確保其對總線的共模濾波效果。同時，要注意避免終端節(jié)點被移除，以免影響信號完整性。
• 去耦電容：旁路和大容量電容應盡可能靠近收發(fā)器的電源引腳放置。
• 接地和電源連接：使用至少兩個過孔連接 (V_{CC}) 和接地，以減少走線和過孔電感。
• 數(shù)字輸入和輸出：可使用串聯(lián)電阻限制數(shù)字線路的電流，使用電容對數(shù)字 I/O 線路進行濾波。
• 故障輸出引腳（僅 TCAN337）：FAULT 輸出引腳為開漏輸出，需要一個外部上拉電阻將引腳電壓拉高，以保證正常工作。
• TXD 輸入引腳：如果使用開漏主機處理器驅動 TXD 引腳，需要使用一個 1kΩ 至 10kΩ 的外部上拉電阻，以幫助驅動器件的隱性輸入狀態(tài)。

六、總結

TCAN33x 系列 3.3V CAN 收發(fā)器憑借其豐富的特性、出色的性能和廣泛的應用領域，為 CAN 總線系統(tǒng)設計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際設計過程中，電子工程師需要根據(jù)具體應用需求，合理選擇器件型號、優(yōu)化電路設計和 PCB 布局，以充分發(fā)揮該系列收發(fā)器的優(yōu)勢，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和應用 TCAN33x 收發(fā)器。

你在使用 TCAN33x 收發(fā)器的過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。