深入解析SN65HVD25x Turbo CAN收發(fā)器：高數(shù)據(jù)速率與功能安全的理想之選

在電子工程師的日常工作中，CAN（Controller Area Network）收發(fā)器是構建可靠通信網(wǎng)絡的關鍵組件之一。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的SN65HVD25x系列Turbo CAN收發(fā)器，它專為滿足高數(shù)據(jù)速率和大型網(wǎng)絡的需求而設計，同時具備功能安全特性，為各種應用場景提供了強大的支持。

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一、產(chǎn)品概述

SN65HVD25x系列包括SN65HVD255、SN65HVD256和SN65HVD257三款產(chǎn)品，它們均符合ISO11898 - 2高速CAN物理層標準。該系列收發(fā)器旨在實現(xiàn)高達1 Mbps的數(shù)據(jù)速率，適用于短網(wǎng)絡中的高速通信，同時在長距離和高負載網(wǎng)絡中也能提供增強的時序裕量和更高的數(shù)據(jù)速率。

二、產(chǎn)品特性

2.1 Turbo CAN特性

• 短而對稱的傳播延遲：能夠提供快速的環(huán)路時間，增強了時序裕量，確保在高速通信中數(shù)據(jù)的準確傳輸。
• 高數(shù)據(jù)速率：支持CAN網(wǎng)絡中的更高數(shù)據(jù)速率，滿足現(xiàn)代工業(yè)和汽車應用對高速通信的需求。

2.2 電源兼容性與理想的無源特性

• I/O電壓范圍：支持3.3 - V和5 - V的MCU，具有良好的兼容性。
• 無電源時的理想無源行為：當設備未供電時，總線和邏輯引腳呈現(xiàn)高阻抗（無負載）狀態(tài)，并且在電源開啟和關閉過程中，總線無毛刺操作，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 保護特性

• ESD保護：HBM ESD保護超過±12 kV，有效防止靜電對設備的損害。
• 總線故障保護：支持 - 27 V至40 V的總線故障保護，增強了設備在惡劣環(huán)境下的可靠性。
• 欠壓保護：對電源引腳提供欠壓保護，確保設備在電壓不穩(wěn)定時的正常工作。
• 驅(qū)動主導超時（TXD DTO）：防止因TXD長時間保持主導狀態(tài)而阻塞網(wǎng)絡通信。
• SN65HVD257特有功能：具備接收器主導超時（RXD DTO）和FAULT輸出引腳，進一步增強了系統(tǒng)的安全性和可監(jiān)控性。
• 熱關斷保護：當設備結溫超過閾值時，自動關閉CAN驅(qū)動電路，保護設備不受過熱損壞。

2.4 寬溫度范圍工作

該系列收發(fā)器可在 - 40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)正常工作，適用于各種惡劣的工業(yè)和汽車環(huán)境。

三、應用場景

3.1 工業(yè)自動化與控制

在高度負載的CAN網(wǎng)絡中，SN65HVD25x能夠?qū)崿F(xiàn)1 Mbps的高速通信，適用于工業(yè)自動化、控制、傳感器和驅(qū)動系統(tǒng)。其高數(shù)據(jù)速率和強大的保護特性確保了工業(yè)設備之間的可靠通信。

3.2 建筑與安全系統(tǒng)

在建筑、安全和氣候控制自動化領域，SN65HVD25x可用于實現(xiàn)設備之間的通信，如門禁系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)等。其寬溫度范圍和高可靠性能夠適應不同的環(huán)境條件。

3.3 電信基站

在電信基站的狀態(tài)和控制應用中，SN65HVD25x能夠提供穩(wěn)定的通信連接，確?；驹O備的正常運行。

3.4 功能安全應用

SN65HVD257具有冗余和多拓撲CAN網(wǎng)絡的功能安全特性，可用于需要高可靠性和安全性的應用場景，如汽車電子、航空航天等。

四、產(chǎn)品選型與配置

4.1 產(chǎn)品選項

4.2 引腳配置與功能

五、性能參數(shù)

5.1 絕對最大額定值

• 電源電壓（Vcc）： - 0.3至6.1 V
• CAN總線I/O電壓（VBUS）： - 27至40 V
• 邏輯輸入引腳電壓（VLogic Input）： - 0.3至6 V
• 邏輯輸出引腳電壓（VLogic Output）： - 0.3至6 V
• RXD輸出電流（Lo(RXD)）：最大12 mA
• FAULT輸出電流（lo(FAULT)）：SN65HVD257最大20 mA
• 工作虛擬結溫（TJ）： - 40至150°C
• 環(huán)境溫度（TA）： - 40至125°C

5.2 ESD額定值

• 人體模型（HBM）：所有引腳+2500 V
• CAN總線引腳（CANH, CANL）： +12000 V
• 充電設備模型（CDM）：所有引腳±750 V
• 機器模型：所有引腳+250 V
• IEC 61400 - 4 - 2：CAN總線引腳（CANH, CANL）至GND ±8000 V
• ISO7637瞬態(tài)：CAN總線引腳（CANH, CANL）在不同脈沖下有不同的額定值

5.3 推薦工作條件

• 電源電壓（Vcc）：4.5至5.5 V
• CAN總線終端電壓： - 2至7 V
• CAN總線差分電壓： - 6至6 V
• 邏輯高電平輸入（VIH）：2至5.5 V
• 邏輯低電平輸入（VIL）：0至0.8 V
• 工作自由空氣溫度（TA）： - 40至125°C

5.4 電氣特性

在推薦工作條件下，該系列收發(fā)器的電氣特性包括電源電流、輸入輸出電壓、輸入輸出電流等參數(shù)。例如，在正常模式下，驅(qū)動主導狀態(tài)時的5 - V電源電流典型值為60 mA，最大值為85 mA。

5.5 開關特性

• 總環(huán)路延遲：從驅(qū)動輸入（TXD）到接收器輸出（RXD），隱性到主導狀態(tài)和主導到隱性狀態(tài)的總環(huán)路延遲最大為150 ns。
• 模式切換時間：從正常模式到靜默模式或從靜默模式到正常模式的切換時間最大為20 μs。
• 驅(qū)動開關特性：包括傳播延遲時間、脈沖寬度、上升時間和下降時間等參數(shù)。
• 接收器開關特性：包括傳播延遲時間、上升時間和下降時間等參數(shù)。

5.6 典型特性

典型特性曲線展示了差分輸出電壓與電源電壓、環(huán)境溫度以及總線負載的關系，幫助工程師更好地了解產(chǎn)品在不同條件下的性能表現(xiàn)。

六、應用設計要點

6.1 總線負載、長度和節(jié)點數(shù)量

ISO 11898標準規(guī)定CAN總線最多有30個節(jié)點，總線長度不超過40米，分支長度不超過0.3米。但通過精心設計，如選擇高輸入阻抗的收發(fā)器（如SN65HVD25x系列），可以增加節(jié)點數(shù)量、延長總線長度。不過，在實際設計中，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，以確保系統(tǒng)的可靠性。

6.2 典型應用電路

6.2.1 5 - V微控制器應用

在5 - V微控制器應用中，需要注意CAN總線的終端匹配。根據(jù)ISO11898標準，應使用特性阻抗為120 Ω的雙絞線電纜，并在電纜兩端使用120 Ω的電阻進行終端匹配，以防止信號反射?？梢圆捎脝谓K端或分裂終端方式，分裂終端有助于改善網(wǎng)絡的電磁輻射特性。

6.2.2 3.3 - V微控制器應用

SN65HVD256具有第二個電源電壓引腳，可用于電平轉(zhuǎn)換，適用于3.3 - V微控制器與5 - V CAN收發(fā)器的接口應用。

6.3 電源供應建議

為確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下的可靠運行，每個電源引腳應使用一個100 - nF的陶瓷電容器進行去耦，且電容器應盡可能靠近電源引腳放置。例如，TPS76350線性電壓調(diào)節(jié)器適用于5 - V電源軌。

6.4 布局設計

6.4.1 布局指南

• 保護和濾波電路設計：ESD和EFT瞬變具有較寬的頻率帶寬，因此在PCB設計時應采用高頻布局技術。在總線連接器處使用外部瞬態(tài)保護器件，防止瞬變事件進入PCB和系統(tǒng)。
• 使用Vcc和接地平面：提供低電感路徑，因為高頻電流遵循電感最小的路徑。
• 總線保護組件設計：按照信號路徑方向設計總線保護組件，避免瞬變電流偏離信號路徑。
• 其他布局建議：包括在CANH和CANL上使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）和電容器進行保護，在Vcc和VRXD上使用旁路和大容量電容器進行去耦，使用至少兩個過孔連接Vcc、VIO和接地以減少電感，在數(shù)字輸入和輸出線上使用串聯(lián)電阻限制電流，使用電容器過濾數(shù)字I/O線上的噪聲，在輸入和輸出引腳上使用外部上拉或下拉電阻進行偏置等。

6.4.2 布局示例

文檔中提供了布局示例圖，展示了各種組件的布局位置和連接方式，可供工程師參考。

七、總結

SN65HVD25x系列Turbo CAN收發(fā)器以其高數(shù)據(jù)速率、強大的保護特性和功能安全特性，為電子工程師在設計CAN網(wǎng)絡時提供了一個可靠的選擇。在實際應用中，工程師需要根據(jù)具體的應用場景和需求，合理選擇產(chǎn)品型號，注意引腳配置和性能參數(shù)，同時在應用設計和布局方面遵循相關的建議和指南，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

你是否在實際項目中使用過類似的CAN收發(fā)器？在設計過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。