汽車(chē)類(lèi) CAN 收發(fā)器 TCAN1042-Q1 系列：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在汽車(chē)電子和工業(yè)控制領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線作為一種可靠的通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。而 CAN 收發(fā)器則是實(shí)現(xiàn) CAN 總線通信的關(guān)鍵組件，它負(fù)責(zé)將微控制器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在 CAN 總線上傳輸?shù)牟罘?a target="_blank">信號(hào)，以及將總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號(hào)供微控制器處理。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）推出的 TCAN1042-Q1 系列汽車(chē)類(lèi) CAN 收發(fā)器。

文件下載：tcan1042v-q1.pdf

一、產(chǎn)品概述

TCAN1042-Q1 系列包括 TCAN1042-Q1、TCAN1042V-Q1、TCAN1042H-Q1、TCAN1042HV-Q1、TCAN1042G-Q1、TCAN1042GV-Q1、TCAN1042HG-Q1 和 TCAN1042HGV-Q1 等型號(hào)。該系列收發(fā)器符合 ISO11898-2 (2016) 高速 CAN 物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持經(jīng)典 CAN 和高達(dá) 2Mbps 的 CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率），其中型號(hào)包含“G”后綴的器件更是能實(shí)現(xiàn)高達(dá) 5Mbps 的數(shù)據(jù)速率。此外，該系列還具備多種保護(hù)特性，能有效提高器件和網(wǎng)絡(luò)的耐用性，非常適合汽車(chē)和運(yùn)輸、重型機(jī)械等應(yīng)用場(chǎng)景。

二、產(chǎn)品特性

（一）汽車(chē)級(jí)認(rèn)證與標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性

該系列產(chǎn)品通過(guò)了 AEC-Q100（等級(jí) 1）認(rèn)證，符合汽車(chē)應(yīng)用的嚴(yán)格要求。同時(shí)，它還滿足 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理層標(biāo)準(zhǔn)，為汽車(chē)電子系統(tǒng)的可靠性提供了堅(jiān)實(shí)保障。

（二）功能安全設(shè)計(jì)

提供功能安全相關(guān)文檔，可幫助工程師進(jìn)行功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，確保在復(fù)雜環(huán)境下的可靠運(yùn)行。

（三）高速數(shù)據(jù)傳輸能力

支持經(jīng)典 CAN 和 2Mbps CAN FD，“G”選項(xiàng)更是支持 5Mbps 的數(shù)據(jù)速率，能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的需求。此外，它具有較短的對(duì)稱(chēng)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 CAN 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率。

（四）優(yōu)秀的 EMC 性能

支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3（最高 500kbps）標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需共模扼流圈，有效降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。

（五）寬 I/O 電壓范圍

I/O 電壓范圍支持 3.3V 和 5V MCU，具有良好的兼容性，方便工程師進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（六）理想無(wú)源行為

在未供電時(shí)，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)（無(wú)負(fù)載），并在總線和 RXD 輸出上實(shí)現(xiàn)上電/斷電無(wú)干擾運(yùn)行，避免對(duì)總線造成不必要的影響。

（七）多重保護(hù)特性

• ESD 保護(hù)：IEC ESD 保護(hù)高達(dá) ±15kV，能有效抵御靜電干擾，提高產(chǎn)品的可靠性。
• 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)則達(dá)到 ±70V，增強(qiáng)了產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下的抗干擾能力。
• 欠壓保護(hù)：$V_{CC}$ 和 VIO（僅限 V 型號(hào)）電源終端具有欠壓保護(hù)，確保在電源電壓不穩(wěn)定時(shí)，產(chǎn)品仍能正常工作。
• 驅(qū)動(dòng)器顯性超時(shí)（TXD DTO）：數(shù)據(jù)速率低至 10kbps 時(shí)，可防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致 TXD 長(zhǎng)時(shí)間處于顯性狀態(tài)，影響網(wǎng)絡(luò)通信。
• 熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）：當(dāng)器件結(jié)溫超過(guò)閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉 CAN 驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)器件不受損壞。

（八）寬溫度范圍與封裝形式

結(jié)溫范圍為 –55°C 至 150°C，能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。采用 SOIC (8) 封裝和無(wú)引線 VSON (8) 封裝（3.0mm x 3.0mm），提高了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）能力，方便生產(chǎn)制造。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

（一）汽車(chē)和運(yùn)輸

適用于各種汽車(chē)電子系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、車(chē)身電子、底盤(pán)控制等。支持高負(fù)載 CAN 網(wǎng)絡(luò)，滿足汽車(chē)內(nèi)部復(fù)雜的通信需求。同時(shí)，針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的 SAE J2284 高速 CAN、GMW3122 雙線制 CAN 物理層等標(biāo)準(zhǔn)，該系列產(chǎn)品也能很好地兼容。

（二）重型機(jī)械

在重型機(jī)械的 ISOBUS 應(yīng)用（ISO 11783）中，TCAN1042-Q1 系列收發(fā)器可實(shí)現(xiàn)可靠的通信，確保設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

四、器件信息與引腳配置

（一）器件信息

（二）引腳配置與功能

需要注意的是，對(duì)于 DRB（VSON）封裝選項(xiàng)，熱焊盤(pán)可連接到 GND 以優(yōu)化封裝的熱特性。

五、電氣特性與參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

（二）ESD 評(píng)級(jí)

（三）推薦工作條件

（四）熱信息與功率評(píng)級(jí)

熱信息和功率評(píng)級(jí)對(duì)于評(píng)估器件的散熱性能和功耗非常重要。該系列產(chǎn)品的熱信息包括結(jié)到空氣、結(jié)到電路板、結(jié)到外殼的熱阻等，功率評(píng)級(jí)則給出了不同測(cè)試條件下的平均功率耗散，具體數(shù)值可參考文檔中的相關(guān)表格。

（五）電氣特性與開(kāi)關(guān)特性

電氣特性和開(kāi)關(guān)特性描述了器件在不同工作條件下的電氣性能和開(kāi)關(guān)速度。這些特性包括電源電流、輸入輸出電壓、傳播延遲時(shí)間等，對(duì)于設(shè)計(jì) CAN 總線系統(tǒng)時(shí)的信號(hào)完整性和時(shí)序分析具有重要意義。

六、詳細(xì)功能描述

（一）TXD 顯性超時(shí)（DTO）

在正常模式下，TXD DTO 電路可防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致 TXD 長(zhǎng)時(shí)間處于顯性狀態(tài)，影響網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng) TXD 下降沿觸發(fā) DTO 電路定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，如果在超時(shí)時(shí)間 $t_{TXD_DTO}$ 內(nèi)未檢測(cè)到上升沿，則禁用 CAN 總線驅(qū)動(dòng)器，釋放總線供其他節(jié)點(diǎn)通信。當(dāng) TXD 檢測(cè)到隱性信號(hào)時(shí)，CAN 驅(qū)動(dòng)器重新激活。

（二）熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)器件結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值 $T{TSD}$ 時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉 CAN 驅(qū)動(dòng)電路，防止器件過(guò)熱損壞。在熱關(guān)斷期間，CAN 總線終端偏置到隱性電平，接收器到 RXD 路徑仍可正常工作。當(dāng)結(jié)溫下降至少 $T{TSD_HYS}$ 后，熱關(guān)斷條件解除。

（三）欠壓鎖定

電源終端具有欠壓檢測(cè)功能，當(dāng) $V{CC}$ 或 $V{IO}$ 電源終端出現(xiàn)欠壓事件時(shí)，將器件置于保護(hù)模式，保護(hù)總線不受影響。不同型號(hào)在欠壓情況下的狀態(tài)和輸出有所不同，具體可參考文檔中的相關(guān)表格。

（四）未供電設(shè)備

未供電時(shí)，器件對(duì) CAN 總線呈“理想無(wú)源”或“無(wú)負(fù)載”狀態(tài)，總線終端（CANH, CANL）的泄漏電流極低，避免對(duì)總線造成負(fù)載影響。

（五）浮動(dòng)終端

關(guān)鍵終端具有內(nèi)部上拉電阻，當(dāng)終端浮空時(shí)，可將器件置于已知狀態(tài)。TXD 終端上拉到 $V{CC}$ 或 $V{IO}$，強(qiáng)制輸入為隱性電平；STB 終端上拉，使器件進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。

（六）CAN 總線短路電流限制

該系列產(chǎn)品具有兩種保護(hù)特性來(lái)限制 CAN 總線短路電流：驅(qū)動(dòng)器電流限制（顯性和隱性狀態(tài)）和 TXD 顯性狀態(tài)超時(shí)。在 CAN 通信中，總線在顯性和隱性狀態(tài)之間切換，可根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)以及協(xié)議和物理層的相關(guān)因素確定顯性和隱性位的比例，從而計(jì)算平均短路電流。

（七）數(shù)字輸入輸出

• 無(wú)“V”后綴的器件：由單一 5V 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 $V{CC}$ 總線，TXD 和 STB 引腳內(nèi)部上拉到 $V{CC}$。
• 有“V”后綴的器件：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。該電源用于設(shè)置 TXD 和 RXD 引腳的 CMOS 輸入閾值和高電平輸出電壓，TXD 和 STB 引腳內(nèi)部上拉到 $V_{IO}$。

（八）設(shè)備功能模式

該系列產(chǎn)品具有兩種主要工作模式：正常模式和待機(jī)模式，通過(guò) STB 輸入終端進(jìn)行選擇。

• 正常模式：STB 終端置低，CAN 驅(qū)動(dòng)器和接收器完全工作，實(shí)現(xiàn)雙向 CAN 通信。
• 待機(jī)模式：STB 終端置高，總線發(fā)射器停止發(fā)送數(shù)據(jù)，正常模式接收器停止接收數(shù)據(jù)，總線線路偏置到地，降低系統(tǒng)電源電流。只有低功耗接收器會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)總線活動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到喚醒模式（WUP）時(shí)，RXD 輸出低電平，指示有效喚醒事件。

七、應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)建議

（一）應(yīng)用場(chǎng)景與設(shè)計(jì)要求

TCAN1042-Q1 系列收發(fā)器通常與包含 CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層部分的主機(jī)微處理器或 FPGA 配合使用。在設(shè)計(jì) CAN 總線系統(tǒng)時(shí)，需要考慮總線負(fù)載、長(zhǎng)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(zhǎng)度為 40m 和最大分支長(zhǎng)度為 0.3m，但通過(guò)精心設(shè)計(jì)，可延長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度和分支長(zhǎng)度，并增加總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。該系列產(chǎn)品具有高輸入阻抗，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，為保證信號(hào)完整性和系統(tǒng)可靠性，節(jié)點(diǎn)數(shù)量通常會(huì)遠(yuǎn)低于此值。

（二）CAN 終端設(shè)計(jì)

ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 CAN 總線互連應(yīng)使用具有 120Ω 特性阻抗的雙絞線電纜，為防止信號(hào)反射，應(yīng)在電纜兩端使用與線路特性阻抗相等的電阻進(jìn)行終端匹配。未終端的分支線路應(yīng)盡量短，以減少信號(hào)反射。終端可以是電纜末端的單個(gè) 120Ω 電阻，也可以采用分割終端方式，以改善網(wǎng)絡(luò)的電磁輻射性能。

（三）電源供應(yīng)建議

該系列產(chǎn)品的 $V{CC}$ 輸入電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，部分型號(hào)的 $V{IO}$ 電源電壓范圍為 3V 至 5.5V。為確保電源穩(wěn)定性，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 $V{CC}$ 和 $V_{IO}$ 電源終端附近放置一個(gè)旁路電容（通常為 0.1μF），以減少開(kāi)關(guān)電源輸出的電壓紋波，并補(bǔ)償 PCB 電源平面和走線的電阻和電感。

（四）布局指南

在 PCB 設(shè)計(jì)中，為保護(hù)器件免受工業(yè)環(huán)境中可能出現(xiàn)的 EFT 和浪涌瞬變影響，通常需要使用外部瞬態(tài)保護(hù)器件。由于 ESD 和瞬態(tài)信號(hào)的頻率帶寬較寬（約 3MHz 至 3GHz），因此在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用高頻布局技術(shù)。該系列產(chǎn)品具有較高的片上 IEC ESD 保護(hù)能力，但如果需要更高的系統(tǒng)級(jí)抗擾度，可使用外部 TVS 二極管。TVS 二極管和總線濾波電容應(yīng)盡量靠近板載連接器放置，以防止噪聲瞬態(tài)事件進(jìn)一步傳播到 PCB 和系統(tǒng)中。

八、總結(jié)

TCAN1042-Q1 系列汽車(chē)類(lèi) CAN 收發(fā)器以其豐富的特性、優(yōu)秀的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為汽車(chē)電子和工業(yè)控制領(lǐng)域的 CAN 總線通信提供了可靠的解決方案。在設(shè)計(jì) CAN 總線系統(tǒng)時(shí)，工程師應(yīng)充分了解該系列產(chǎn)品的特性和參數(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，合理選擇型號(hào)，并遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)建議和布局指南，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，TI 提供了完善的文檔支持和技術(shù)論壇，工程師可以通過(guò)訂閱文檔更新通知獲取最新的產(chǎn)品信息，并在 TI E2E? 支持論壇上獲取快速、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解答和設(shè)計(jì)幫助。

希望