探秘TJA1042高速CAN收發(fā)器：設計與應用指南

在汽車電子領域，高速CAN（Controller Area Network）通信至關重要。NXP Semiconductors的TJA1042高速CAN收發(fā)器憑借其卓越性能，成為眾多汽車應用的理想選擇。本文將深入剖析TJA1042的特性、功能及應用，為電子工程師提供全面的設計參考。

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一、TJA1042概述

TJA1042作為第三代高速CAN收發(fā)器，為CAN協議控制器與物理雙線CAN總線之間搭建了高效接口。它專為汽車行業(yè)高速CAN應用設計，具備差分收發(fā)能力，適用于連接帶有CAN協議控制器的微控制器。相比前代產品，TJA1042在電磁兼容性（EMC）和靜電放電（ESD）性能上有顯著提升。其特點包括：電源關閉時對CAN總線呈現理想的無源特性；低電流待機模式并支持總線喚醒功能；TJA1042T/3和TJA1042TK/3可直接與3V - 5V的微控制器接口。此外，它還符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5標準，能在CAN FD快速階段實現高達5 Mbit/s的數據速率可靠通信。

二、特性與優(yōu)勢

2.1 通用特性

• 標準合規(guī)：符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5標準，確保在高速CAN通信中的兼容性和可靠性。
• 高速通信：保證CAN FD快速階段數據速率高達5 Mbit/s的時序，滿足汽車電子對高速數據傳輸的需求。
• 多電壓系統適用：適用于12V和24V系統，具有廣泛的應用范圍。
• 低電磁干擾與高抗擾性：低電磁發(fā)射（EME）和高電磁抗擾性（EMI），減少對周圍電子設備的干擾，同時提高自身的抗干擾能力。
• 靈活接口：TJA1042T/3和TJA1042TK/3的(V_{IO})輸入允許直接與3V - 5V微控制器接口，增強了與不同微控制器的兼容性。
• 穩(wěn)定輸出：TJA1042T的SPLIT電壓輸出有助于穩(wěn)定隱性總線電平，提高通信穩(wěn)定性。
• 環(huán)保封裝：提供SO8和無鉛HVSON8（3.0 mm × 3.0 mm）封裝，具有改進的自動光學檢測（AOI）能力，且為無鹵和符合RoHS標準的環(huán)保產品。
• 汽車級認證：通過AEC - Q100認證，適用于汽車應用，保證了產品在汽車環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 可預測與故障安全特性

• 低電流待機模式：具備主機和總線喚醒能力的低電流待機模式，在不影響通信功能的前提下，有效降低功耗。
• 全工況可預測性：在所有電源條件下，功能行為可預測，確保系統在各種復雜環(huán)境下的穩(wěn)定運行。
• 總線零負載：未上電時，收發(fā)器與總線斷開連接（零負載），避免對總線造成不必要的影響。
• 超時保護功能：具備發(fā)送數據（TXD）顯性超時功能和待機模式下的總線顯性超時功能，防止硬件或軟件故障導致總線持續(xù)處于顯性狀態(tài)，保障網絡通信的正常進行。
• 欠壓檢測：對(V{CC})和(V{IO})引腳進行欠壓檢測，當電壓低于設定值時，采取相應的保護措施，確保系統的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 保護特性

• 高ESD處理能力：總線引腳具有±8 kV的高ESD處理能力，有效防止靜電對設備的損壞。
• 高電壓魯棒性：CAN引腳具有±58 V的高電壓魯棒性，能夠承受汽車環(huán)境中的高電壓沖擊。
• 瞬態(tài)保護：總線引腳在汽車環(huán)境中受到瞬態(tài)保護，減少瞬態(tài)電壓對設備的影響。
• 熱保護：具備熱保護功能，當虛擬結溫超過設定值時，輸出驅動器將被禁用，直到溫度下降，避免設備因過熱而損壞。

三、快速參考數據

這些數據為工程師在設計電路時提供了重要的參考依據，確保系統在合適的電壓、電流和溫度范圍內正常工作。

四、訂購信息

工程師可根據具體應用需求選擇合適的型號和封裝。

五、功能描述

5.1 工作模式

TJA1042支持正常和待機兩種工作模式，通過STB引腳進行選擇。

• 正常模式：STB引腳為低電平時，收發(fā)器進入正常模式。在此模式下，收發(fā)器可通過CANH和CANL總線線路進行數據的收發(fā)。差分接收器將總線上的模擬數據轉換為數字數據，并輸出到RXD引腳。總線線路上輸出信號的斜率由內部控制，以確保最低的電磁發(fā)射（EME）。
• 待機模式：STB引腳為高電平時，收發(fā)器進入待機模式。在待機模式下，收發(fā)器無法正常進行數據的收發(fā)，發(fā)射器和正常模式接收器模塊關閉以降低電源電流，僅由低功耗差分接收器監(jiān)測總線線路的活動。低功耗接收器輸出端的喚醒濾波器不會鎖定總線顯性狀態(tài)，確保只有持續(xù)時間超過(t{fltr(wake)bus})的總線顯性和隱性狀態(tài)才會反映在RXD引腳上?？偩€線路在待機模式下被偏置到地，以最小化系統電源電流。即使只有(V{IO})作為電源電壓，低功耗接收器也能檢測CAN總線的活動。當RXD引腳變?yōu)榈碗娖揭园l(fā)出喚醒請求時，直到STB引腳被強制為低電平，才會觸發(fā)向正常模式的轉換。

5.2 故障安全特性

• TXD顯性超時功能：當TXD引腳設置為低電平時，啟動“TXD顯性超時定時器”。如果TXD引腳的低電平狀態(tài)持續(xù)時間超過(t_{to(dom)TXD})，發(fā)射器將被禁用，總線線路恢復到隱性狀態(tài)。該功能可防止硬件和/或軟件應用故障導致總線線路持續(xù)處于顯性狀態(tài)，從而阻塞所有網絡通信。當TXD引腳設置為高電平時，TXD顯性超時定時器復位。TXD顯性超時時間也定義了最小可能的比特率為40 kbit/s。
• 總線顯性超時功能：在待機模式下，當CAN總線從隱性狀態(tài)變?yōu)轱@性狀態(tài)時，啟動“總線顯性超時定時器”。如果總線上的顯性狀態(tài)持續(xù)時間超過(t_{to(dom)bus})，RXD引腳將被復位為高電平。該功能可防止由于總線短路或網絡中其他節(jié)點故障導致的總線鉗位顯性狀態(tài)產生永久喚醒請求。當CAN總線從顯性狀態(tài)變?yōu)殡[性狀態(tài)時，總線顯性超時定時器復位。
• TXD和STB輸入引腳內部偏置：TXD和STB引腳內部上拉到(V_{IO})，以確保在這些引腳懸空時處于安全、定義的狀態(tài)。在所有狀態(tài)下，這些引腳上都會有上拉電流流動。在待機模式下，應將這兩個引腳保持為高電平，以最小化待機電流。
• (V{CC})和(V{IO})引腳欠壓檢測：如果(V{CC})下降到(V{CC})欠壓檢測電平(V{Uvd(VCC)})以下，收發(fā)器將切換到待機模式，直到(V{CC})恢復正常，此時將忽略STB引腳的邏輯狀態(tài)。如果(V{IO})下降到(V{IO})欠壓檢測電平(V{Uvd(VIO)})以下，收發(fā)器將關閉并與總線斷開連接（零負載），直到(V{IO})恢復正常。
• 過溫保護：輸出驅動器具備過溫保護功能。如果虛擬結溫超過關斷結溫(T{j(sd)})，輸出驅動器將被禁用，直到虛擬結溫下降到(T{j(sd)})以下且TXD再次變?yōu)殡[性狀態(tài)。包含TXD條件可確保避免因溫度漂移導致的輸出驅動器振蕩。

5.3 SPLIT輸出引腳和(V_{IO})電源引腳

TJA1042有兩種版本，僅在引腳5的功能上有所不同，引腳5可以是SPLIT輸出引腳或(V_{IO})電源引腳。

• SPLIT引腳：TJA1042T上的SPLIT引腳與分割終端網絡配合使用，有助于穩(wěn)定總線上的隱性電壓電平。這將減少具有接地直流泄漏的網絡中的電磁發(fā)射（例如，來自總線泄漏性能較差的停用節(jié)點）。在正常模式下，SPLIT引腳提供(0.5 V{CC})的直流輸出電壓。在待機模式或(V{CC})關閉時，SPLIT引腳處于浮空狀態(tài)。當不使用時，SPLIT引腳應保持開路。
• (V_{IO})電源引腳：TJA1042T/3和TJA1042TK/3上的(V{IO})引腳應連接到微控制器的電源電壓，以將TXD、RXD和STB引腳的信號電平調整到微控制器的I/O電平。(V{IO})引腳還為收發(fā)器的低功耗差分接收器提供內部電源電壓。對于運行在低功耗模式下的應用，即使(V{CC})引腳沒有電源電壓，也可以監(jiān)測總線線路的活動。對于沒有(V{IO})引腳的TJA1042版本，(V{IO})輸入在內部連接到(V{CC})，這將TXD、RXD和STB引腳的信號電平設置為與5V微控制器兼容的電平。

六、應用信息

6.1 應用圖示

文檔中提供了TJA1042T與5V微控制器以及TJA1042T/3或TJA1042TK/3與3V微控制器的典型應用圖示，為工程師在實際設計中提供了參考。

6.2 應用提示

關于TJA1042的更多應用信息，可參考NXP應用提示AH1014 “Application Hints - Standalone high speed CAN transceiver TJA1042/TJA1043/TJA1048/TJA1051”。

七、測試信息

文檔中給出了CAN收發(fā)器的定時測試電路和測量收發(fā)器驅動器對稱性的測試電路，同時表明該產品已通過汽車電子委員會（AEC）標準Q100 Rev - G的認證，適用于汽車應用。

八、封裝外形

TJA1042提供SO8和HVSON8兩種封裝，文檔詳細給出了這兩種封裝的外形尺寸和相關參數，方便工程師進行PCB設計。

九、焊接信息

9.1 焊接概述

焊接是將封裝連接到印刷電路板（PCB）以形成電路的常見方法，焊接接頭提供機械和電氣連接。不同的IC封裝適用于不同的焊接方法，波峰焊適用于通孔和表面貼裝器件（SMD）混合的印刷線路板，但不適用于細間距SMD；回流焊則適用于小型化帶來的小間距和高密度封裝。

9.2 波峰焊和回流焊

• 波峰焊：通過液態(tài)焊料的駐波進行焊接，適用于通孔組件、粘貼在印刷電路板表面的有引腳或無引腳SMD。但并非所有SMD都適合波峰焊，如帶有焊球的封裝和一些底部有焊盤的無引腳封裝，以及引腳間距小于約0.6 mm的有引腳SMD，由于橋接概率增加，不適合波峰焊。
• 回流焊：先在電路板上涂覆焊膏，然后放置組件并進行溫度曲線處理。有引腳封裝、帶有焊球的封裝和無引腳封裝都可以進行回流焊。波峰焊和回流焊的關鍵特性包括電路板規(guī)格、封裝焊盤、封裝的濕度敏感度等級、組件放置、檢查和修復以及無鉛焊接與SnPb焊接等方面。

9.3 回流焊注意事項

回流焊中，無鉛回流工藝通常比SnPb工藝需要更高的最低峰值溫度，從而減小了工藝窗口。還需要注意焊膏印刷問題，如涂抹、脫模以及為電路板上大小組件混合調整工藝窗口。回流溫度曲線包括預熱、回流（將電路板加熱到峰值溫度）和冷卻階段，峰值溫度必須足夠高以確保焊料形成可靠的焊接接頭，同時又不能過高以免損壞封裝和/或電路板。不同厚度和體積的封裝，其峰值溫度要求不同，文檔中給出了SnPb共晶工藝和無鉛工藝下不同封裝厚度和體積對應的回流溫度表。此外，必須始終遵守包裝上標明的濕度敏感度預防措施。

十、總結

TJA1042高速CAN收發(fā)器憑借其豐富的特性、可靠的故障安全功能和靈活的應用方式，為汽車電子領域的高速CAN通信提供了優(yōu)秀的解決方案。電子工程師在設計過程中，應充分考慮其各項參數和特性，結合具體應用需求，合理選擇型號和封裝，并注意焊接等工藝問題，以確保系統的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用TJA1042的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗。