探索TJA1042高速CAN收發(fā)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)
探索TJA1042高速CAN收發(fā)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)
在汽車電子領(lǐng)域，高速CAN（Controller Area Network）通信至關(guān)重要，它能確保各個(gè)電子控制單元（ECU）之間穩(wěn)定、高效地交換數(shù)據(jù)。NXP Semiconductors的TJA1042高速CAN收發(fā)器，憑借其出色的性能和豐富的特性，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下這款收發(fā)器。
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一、TJA1042概述
TJA1042是第三代高速CAN收發(fā)器，為CAN協(xié)議控制器和物理雙線CAN總線之間提供了可靠的接口。它專為汽車行業(yè)的高速CAN應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具備差分發(fā)送和接收能力，能與帶有CAN協(xié)議控制器的微控制器完美配合。與前代產(chǎn)品如TJA1040相比，TJA1042在電磁兼容性（EMC）和靜電放電（ESD）性能方面有了顯著提升。
突出特性
- 理想的無源特性：當(dāng)電源電壓關(guān)閉時(shí)，對(duì)CAN總線呈現(xiàn)理想的無源行為。
- 低電流待機(jī)模式：具備主機(jī)和總線喚醒功能，可有效降低功耗。
- 寬電壓兼容性：帶有$V_{IO}$引腳的變體可直接與3.3V至5V的微控制器接口。
- 高速通信支持：實(shí)現(xiàn)了ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5定義的CAN物理層，支持CAN FD快速階段高達(dá)5Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。
二、TJA1042的特性與優(yōu)勢
（一）通用特性
- 標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性：完全符合ISO 11898 - 2:2016、SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5和SAE J1939 - 14標(biāo)準(zhǔn)，確保了在不同應(yīng)用場景下的兼容性。
- 高速性能：在CAN FD快速階段，保證數(shù)據(jù)速率高達(dá)5Mbit/s的時(shí)序，滿足高速通信需求。
- 電源適應(yīng)性：適用于12V和24V系統(tǒng)，增強(qiáng)了產(chǎn)品的通用性。
- 低電磁干擾：根據(jù)提議的EMC標(biāo)準(zhǔn)IEC 62228 - 3和SAE J2962 - 2，具有低電磁發(fā)射（EME）和高電磁抗擾度（EMI）。
- 多種封裝形式：$V{IO}$和非$V{IO}$變體均提供SO8和無鉛HVSON8（3.0 mm × 3.0 mm）封裝，HVSON8封裝具有更好的自動(dòng)光學(xué)檢測（AOI）能力。
（二）可預(yù)測和故障安全行為
- 低電流待機(jī)模式：在待機(jī)模式下，電流極低，同時(shí)具備主機(jī)和總線喚醒功能，方便系統(tǒng)在需要時(shí)快速恢復(fù)工作。
- 可預(yù)測的功能行為：在所有電源條件下，功能行為均可預(yù)測，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
- 總線脫離功能：當(dāng)電源電壓低于關(guān)斷欠壓閾值時(shí)，收發(fā)器會(huì)從總線斷開（高阻態(tài)），避免對(duì)總線造成干擾。
- 超時(shí)功能：具備發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）主導(dǎo)超時(shí)功能和待機(jī)模式下的總線主導(dǎo)超時(shí)功能，防止硬件或軟件故障導(dǎo)致總線永久處于主導(dǎo)狀態(tài)。
- 欠壓檢測：對(duì)引腳$V{CC}$和$V{IO}$進(jìn)行欠壓檢測，確保系統(tǒng)在正常電壓范圍內(nèi)工作。
（三）保護(hù)功能
- 高ESD處理能力：總線引腳具有±8 kV的高ESD處理能力，有效抵抗靜電干擾。
- 高電壓魯棒性：CAN引腳具有±58 V的高電壓魯棒性，適應(yīng)復(fù)雜的汽車電氣環(huán)境。
- 瞬態(tài)保護(hù)：總線引腳針對(duì)汽車環(huán)境中的瞬態(tài)進(jìn)行了保護(hù)，提高了產(chǎn)品的可靠性。
- 熱保護(hù)：具備熱保護(hù)功能，防止因過熱損壞器件。
三、關(guān)鍵參數(shù)與性能
（一）快速參考數(shù)據(jù)
| 符號(hào) | 參數(shù) | 條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $V_{CC}$ | 電源電壓 | 4.5 | 5.5 | V | ||
| $V_{IO}$ | 引腳$V_{IO}$上的電源電壓 | 2.8 | 5.5 | V | ||
| $V_{uvd(VCc)}$ | 引腳$V_{CC}$上的欠壓檢測電壓 | 3.5 | 4.5 | V | ||
| $V_{uvd(VIO)}$ | 引腳$V_{IO}$上的欠壓檢測電壓 | 1.3 | 2.0 | 2.7 | V | |
| $I_{cc}$ | 電源電流 | 待機(jī)模式 | 10 | 15 | μA | |
| 正常模式：總線隱性 | 2.5 | 5 | 10 | mA | ||
| 正常模式：總線顯性 | 20 | 45 | 70 | mA |
（二）靜態(tài)特性
在不同的工作條件下，TJA1042的靜態(tài)特性表現(xiàn)穩(wěn)定。例如，在$T{v j}=-40^{circ} C$至 +150°C、$V{C C}=4.5 ~V$至 5.5V、$v_{10}=2.8 ~V$至$5.5 ~V$的范圍內(nèi)，各項(xiàng)參數(shù)都能滿足設(shè)計(jì)要求。這為工程師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)提供了可靠的參考依據(jù)。
（三）動(dòng)態(tài)特性
TJA1042的動(dòng)態(tài)特性也十分出色。在不同的變體中，從TXD到總線主導(dǎo)和隱性的延遲時(shí)間、從總線主導(dǎo)和隱性到RXD的延遲時(shí)間等參數(shù)都有明確的規(guī)定，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。例如，TJA1042B/C在正常模式下，從TXD到總線主導(dǎo)的延遲時(shí)間典型值為60ns。
四、TJA1042的應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)
（一）應(yīng)用場景
TJA1042適用于各種HS - CAN網(wǎng)絡(luò)，特別是那些需要低功耗模式和通過CAN總線喚醒功能的節(jié)點(diǎn)。在汽車電子系統(tǒng)中，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、車身電子系統(tǒng)等，TJA1042都能發(fā)揮重要作用。
（二）設(shè)計(jì)要點(diǎn)
- 電源設(shè)計(jì)：確保$V{CC}$和$V{IO}$的電源電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)注意電源的濾波和去耦，以減少電源噪聲對(duì)收發(fā)器的影響。
- 引腳連接：根據(jù)具體的應(yīng)用需求，正確連接TXD、RXD、CANH、CANL等引腳。對(duì)于帶有$V_{IO}$引腳的變體，要將其連接到微控制器的電源電壓，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平的匹配。
- 外部電路：TJA1042所需的最小外部電路如圖7和圖8所示。在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的外部組件，如電阻、電容等，并注意PCB布局，以減小電磁干擾。
電子工程師必看：TJA1042高速CAN收發(fā)器深度解析
在汽車電子以及工業(yè)控制等領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線憑借其高可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。而CAN收發(fā)器作為CAN總線與微控制器之間的橋梁，其性能直接影響著整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。今天，我們就來深入了解一下NXP Semiconductors推出的TJA1042高速CAN收發(fā)器。
一、TJA1042概述
TJA1042是一款具備待機(jī)模式的高速CAN收發(fā)器，它為CAN協(xié)議控制器和物理雙線CAN總線之間提供了接口。該收發(fā)器屬于恩智浦半導(dǎo)體第三代高速CAN收發(fā)器，相較于第一代和第二代設(shè)備（如TJA1040）有顯著改進(jìn)。它不僅實(shí)現(xiàn)了ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5所定義的CAN物理層，還能在CAN FD快速階段以高達(dá)5 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)可靠通信。
二、TJA1042的特性與優(yōu)勢
（一）通用特性
- 標(biāo)準(zhǔn)兼容性：完全符合ISO 11898 - 2:2016、SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5以及SAE J1939 - 14標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它可以廣泛應(yīng)用于各種遵循這些標(biāo)準(zhǔn)的CAN網(wǎng)絡(luò)中。
- 高速性能：能保證CAN FD快速階段數(shù)據(jù)速率高達(dá)5 Mbit/s的時(shí)序，滿足高速通信需求。
- 系統(tǒng)適用性：適用于12 V和24 V系統(tǒng)，具有較寬的電源電壓適應(yīng)范圍。
- 電磁兼容性：具有低電磁輻射（EME）和高電磁抗擾度（EMI），符合擬議的EMC標(biāo)準(zhǔn)IEC 62228 - 3和SAE J2962 - 2。
- 接口靈活性：帶有$V_{IO}$引腳的變體可直接與3.3 V至5 V的微控制器接口，方便不同電壓等級(jí)的微控制器連接。
- 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲С?/strong>：TJA1042B和TJA1042C變體的傳播延遲更短，支持更大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
- 電壓輸出功能：TJA1042T和TJA1042CT具有SPLIT電壓輸出，可穩(wěn)定隱性總線電平。
- 封裝多樣性：$V{IO}$和非$V{IO}$變體均提供SO8和無鉛HVSON8（3.0 mm×3.0 mm）封裝，其中HVSON8封裝具有改進(jìn)的自動(dòng)光學(xué)檢測（AOI）能力。
- 環(huán)保合規(guī)：屬于深綠色產(chǎn)品，無鹵素且符合有害物質(zhì)限制（RoHS）標(biāo)準(zhǔn)，并且通過了AEC - Q100認(rèn)證，可用于汽車級(jí)應(yīng)用。
（二）可預(yù)測和故障安全行為
- 低電流待機(jī)模式：具備主機(jī)和總線喚醒功能的超低電流待機(jī)模式，在待機(jī)狀態(tài)下能大幅降低功耗，同時(shí)可通過CAN總線喚醒。
- 功能可預(yù)測性：在所有電源條件下功能行為可預(yù)測，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
- 總線脫離功能：當(dāng)電源電壓降至關(guān)斷欠壓閾值以下時(shí)，收發(fā)器會(huì)從總線斷開（高阻態(tài)），避免對(duì)總線造成干擾。
- 超時(shí)功能：具有發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）顯性超時(shí)功能和待機(jī)模式下的總線顯性超時(shí)功能，可防止硬件和/或軟件故障導(dǎo)致總線處于永久顯性狀態(tài)，從而阻塞所有網(wǎng)絡(luò)通信。
- 欠壓檢測：對(duì)$V{CC}$和$V{IO}$引腳進(jìn)行欠壓檢測，當(dāng)檢測到欠壓時(shí)采取相應(yīng)保護(hù)措施。
（三）保護(hù)特性
- ESD防護(hù)：總線引腳具有高ESD處理能力（±8 kV），能有效抵御靜電放電對(duì)芯片的損害。
- 高壓耐受：CAN引腳具有高電壓魯棒性（±58 V），可承受一定范圍內(nèi)的過電壓沖擊。
- 瞬態(tài)保護(hù)：總線引腳可防止汽車環(huán)境中的瞬態(tài)干擾，提高在復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠性。
- 熱保護(hù)：具備熱保護(hù)功能，當(dāng)虛擬結(jié)溫超過關(guān)斷結(jié)溫時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器將被禁用，直到溫度下降。
三、TJA1042的關(guān)鍵參數(shù)
（一）快速參考數(shù)據(jù)
| 符號(hào) | 參數(shù) | 條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $V_{CC}$ | 電源電壓 | 4.5 | 5.5 | V | ||
| $V_{IO}$ | $V_{IO}$引腳的電源電壓 | 2.8 | 5.5 | V | ||
| $V_{uvd(VCC)}$ | $V_{CC}$引腳的欠壓檢測電壓 | 3.5 | 4.5 | V | ||
| $V_{uvd(VIO)}$ | $V_{IO}$引腳的欠壓檢測電壓 | 1.3 | 2.0 | 2.7 | V | |
| $I_{CC}$ | 電源電流 | 待機(jī)模式 | 10 | 15 | μA | |
| 正常模式：總線隱性 | 2.5 | 5 | 10 | mA | ||
| 正常模式：總線顯性 | 20 | 45 | 70 | mA | ||
| $I_{O}$ | $V_{IO}$引腳的電源電流 | 待機(jī)模式；$V{TXD}=V{IO}$ | 5 | 14 | μA | |
| 正常模式：隱性；$V{TXD}=V{IO}$ | 15 | 80 | 200 | μA | ||
| 正常模式：顯性；$V_{TXD}=0V$ | 350 | 1000 | μA | |||
| $V_{ESD}$ | 靜電放電電壓 | IEC 61000 - 4 - 2在CANH和CANL引腳 | - 8 | + 8 | kV | |
| $V_{CANH}$ | CANH引腳的電壓 | - 58 | + 58 | V | ||
| $V_{CANL}$ | CANL引腳的電壓 | - 58 | + 58 | V | ||
| $T_{VJ}$ | 虛擬結(jié)溫 | - 40 | + 150 | °C |
（二）動(dòng)態(tài)特性
TJA1042的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)于評(píng)估其在高速通信中的性能至關(guān)重要。例如，不同變體在從TXD到總線顯性、隱性的延遲時(shí)間，以及從總線顯性、隱性到RXD的延遲時(shí)間等方面存在差異。這些參數(shù)直接影響著CAN網(wǎng)絡(luò)的通信速度和實(shí)時(shí)性。
四、TJA1042的應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)
（一）應(yīng)用場景
TJA1042適用于各種HS - CAN網(wǎng)絡(luò)，特別是那些需要低功耗模式和通過CAN總線喚醒功能的節(jié)點(diǎn)。在汽車電子系統(tǒng)中，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、車身電子系統(tǒng)等，TJA1042都能發(fā)揮重要作用。
（二）設(shè)計(jì)要點(diǎn)
- 電源設(shè)計(jì)：確保$V{CC}$和$V{IO}$的電源電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)注意電源的濾波和去耦，以減少電源噪聲對(duì)收發(fā)器的影響。在為TJA1042設(shè)計(jì)電源時(shí)，可參考通用的電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)。例如，所有模塊如無特殊說明均需加保險(xiǎn)絲，由于通常使用的是快速保險(xiǎn)絲，且考慮到緩啟動(dòng)電路，在選用保險(xiǎn)絲的時(shí)候需要提高1.5 - 2.5倍的余量。一般45W以下的單板使用2A保險(xiǎn)絲，45W以上選用5A保險(xiǎn)絲。同時(shí)，電源濾波電容的選取和使用也很關(guān)鍵，要注意耐壓降額和溫度降額。推薦鉭電容的耐壓要降額到1/3，電解電容器的最高額定溫度至少應(yīng)該選+105度。電源濾波可采用LC、π型濾波，建議優(yōu)選磁珠，輸入濾波至少需要一級(jí)共模濾波，推薦兩級(jí)共模濾波。
- 引腳連接：根據(jù)具體的應(yīng)用需求，正確連接TXD、RXD、CANH、CANL等引腳。對(duì)于帶有$V_{IO}$引腳的變體，要將其連接到微控制器的電源電壓，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平的匹配。在進(jìn)行引腳連接時(shí)，要注意引腳的類型和功能，避免連接錯(cuò)誤導(dǎo)致收發(fā)器無法正常工作。
- 外部電路：TJA1042所需的最小外部電路如圖7和圖8所示。在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的外部組件，如電阻、電容等，并注意PCB布局，以減小電磁干擾。在PCB布局方面，要遵循一些基本的電磁兼容原則。例如，布局要按電源、模擬、高速數(shù)字及各功能塊進(jìn)行分區(qū)；盡量減小大di/dt回路面積，減小大dv/dt信號(hào)線長度，并盡量走直線，降低其隱含包圍區(qū)域，以減小輻射；感性串?dāng)_主要由大di/dt環(huán)路產(chǎn)生，要減小和這些信號(hào)的互感，關(guān)鍵是減小環(huán)路面積、增大距離；容性串?dāng)_主要由大dv/dt信號(hào)產(chǎn)生，要減小和這些信號(hào)的互容，主要途徑是減小耦合有效面積、增大距離。
五、TJA1042的測試與質(zhì)量保證
該產(chǎn)品已按照汽車電子委員會(huì)（AEC）標(biāo)準(zhǔn)Q100 Rev - G進(jìn)行了資格認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用。同時(shí)，文檔中還給出了CAN收發(fā)器定時(shí)測試電路和測量收發(fā)器驅(qū)動(dòng)器對(duì)稱性的測試電路，為產(chǎn)品的測試提供了參考。
六、總結(jié)
TJA1042高速CAN收發(fā)器憑借其出色的性能、豐富的特性和良好的保護(hù)功能，成為了HS - CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇變體、正確設(shè)計(jì)外部電路和進(jìn)行PCB布局，以充分發(fā)揮TJA1042的優(yōu)勢，確保CAN網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。大家在使用TJA1042的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。
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