TCAN1042-Q1系列汽車類CAN收發(fā)器：設計與應用指南

在汽車電子領域，可靠的通信是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵。CAN（Controller Area Network）總線作為一種廣泛應用的通信協(xié)議，其收發(fā)器的性能直接影響著整個網(wǎng)絡的可靠性和效率。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TCAN1042-Q1系列具有CAN FD和故障保護功能的汽車類CAN收發(fā)器。

文件下載：tcan1042hgv-q1.pdf

一、特性剖析

1. 汽車級標準與兼容性

TCAN1042-Q1系列符合AEC - Q100（等級1）標準，這意味著它完全滿足汽車應用的嚴格要求。同時，它還符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理層標準，為汽車網(wǎng)絡通信提供了堅實的基礎。此外，該系列還提供功能安全相關文檔，有助于工程師進行功能安全系統(tǒng)的設計。

2. “Turbo”CAN技術

所有器件均支持經(jīng)典CAN和2Mbps CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率），而帶有“G”選項的器件更是支持高達5Mbps的數(shù)據(jù)速率。這種高速數(shù)據(jù)傳輸能力得益于其較短的對稱傳播延遲時間和快速循環(huán)次數(shù)，能夠有效增加時序裕量，在有負載的CAN網(wǎng)絡中實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率。

3. 出色的EMC性能

該系列支持SAE J2962 - 2和IEC 62228 - 3（最高500kbps）標準，并且在這些速率下無需共模扼流圈，大大簡化了設計，降低了成本。

4. 寬I/O電壓范圍與理想無源行為

I/O電壓范圍支持3.3V和5V MCU，具有良好的兼容性。在未供電時，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)，無負載，且在總線和RXD輸出上實現(xiàn)上電/斷電無干擾運行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5. 全面的保護特性

• ESD保護：IEC ESD保護高達±15kV，有效防止靜電對器件的損壞。
• 總線故障保護：非H型號的總線故障保護為±58V，H型號則達到±70V，增強了器件在惡劣環(huán)境下的可靠性。
• 欠壓保護：$V_{CC}$和VIO（僅限V型號）電源終端具有欠壓保護功能，確保器件在電壓不穩(wěn)定時的正常工作。
• 驅動器顯性超時（TXD DTO）：數(shù)據(jù)速率低至10kbps時仍能正常工作，防止因硬件或軟件故障導致的網(wǎng)絡阻塞。
• 熱關斷保護（TSD）：當結溫超過閾值時，自動關閉CAN驅動電路，保護器件不受過熱損壞。

6. 其他特性

接收器共模輸入電壓范圍為±30V，典型循環(huán)延遲為110ns，結溫范圍為 – 55°C至150°C，采用SOIC (8)封裝和無引線VSON (8)封裝（3.0mm x 3.0mm），提高了自動光學檢測（AOI）能力。

二、應用領域

1. 汽車和運輸

該系列器件適用于所有高負載CAN網(wǎng)絡，包括重型機械ISOBUS應用（ISO 11783）、針對汽車應用的SAE J2284高速CAN、GMW3122雙線制CAN物理層等，并且符合SAE J2962、GIFT/ICT、ISO16845的要求。

三、器件說明

1. 標準與速率

這款CAN收發(fā)器系列符合ISO1189 - 2 (2016)高速CAN物理層標準，所有器件均設計用于數(shù)據(jù)速率高達2Mbps的CAN FD網(wǎng)絡。帶有“G”后綴的器件旨在實現(xiàn)高達5Mbps的數(shù)據(jù)速率，而帶有“V”后綴的器件配有提供I/O電平的輔助電源輸入，用于設置輸入引腳閾值和RXD輸出電平。

2. 低功耗與保護特性

該系列具備低功耗待機模式及遠程喚醒請求特性，所有器件都提供多種保護特性，如上述提到的ESD保護、總線故障保護等，提高了器件和網(wǎng)絡的耐用性。

3. 器件信息

注：如需了解所有可用封裝，請參閱數(shù)據(jù)表末尾的可訂購產(chǎn)品附錄。

四、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對最大額定值

規(guī)定了器件在不同參數(shù)下的最大和最小工作范圍，如$V{CC}$、$V{IO}$、$V{BUS}$等電壓范圍，以及$I{O(RXD)}$、$T{J}$、$T{STG}$等電流和溫度范圍。超出這些范圍可能會導致器件永久性損壞。

2. ESD額定值

包括人體模型（HBM）、帶電設備模型（CDM）、機器模型（MM）等不同測試條件下的ESD等級，以及系統(tǒng)級ESD和電氣快速瞬變（EFT）測試結果，確保器件在靜電環(huán)境下的可靠性。

3. 推薦工作條件

給出了$V{CC}$、$V{IO}$等電源電壓的推薦范圍，以及RXD終端的高低電平輸出電流范圍，以保證器件在最佳狀態(tài)下工作。

4. 熱信息

提供了不同封裝形式下的熱阻參數(shù)，如$R{JA}$（結到空氣熱阻）、$R{JB}$（結到板熱阻）等，以及熱關斷溫度和熱關斷滯后溫度，幫助工程師進行散熱設計。

5. 功率額定值

給出了不同測試條件下的平均功率耗散，如在典型CAN工作條件和高負載CAN工作條件下的功率消耗，為電源設計提供參考。

6. 電氣特性

詳細描述了器件在不同工作模式下的電氣參數(shù)，如5 - V供電電流、IO供電電流、欠壓檢測電壓、輸入輸出電壓和電流等，是工程師進行電路設計和性能評估的重要依據(jù)。

7. 開關特性

包括總環(huán)路延遲、模式切換時間、濾波時間等開關參數(shù)，反映了器件的動態(tài)性能。

8. 典型特性

通過圖表展示了$V{OD(D)}$隨溫度、$I{CC}$隱性電流隨溫度、總環(huán)路延遲隨溫度等典型特性，幫助工程師了解器件在不同溫度下的性能變化。

五、參數(shù)測量信息

文檔中提供了各種參數(shù)的測試電路和測量方法，如驅動器測試電路、接收器測試電路、模式切換時間測試電路等，為工程師進行實際測試和驗證提供了詳細的指導。

六、詳細描述

1. TXD顯性超時（DTO）

在正常模式下，TXD DTO電路可防止因硬件或軟件故障導致TXD長時間保持顯性狀態(tài)而阻塞網(wǎng)絡通信。當TXD出現(xiàn)下降沿時，DTO電路定時器開始計時，若在超時時間內(nèi)未出現(xiàn)上升沿，則禁用CAN總線驅動器，釋放總線供其他節(jié)點通信。當TXD出現(xiàn)隱性信號時，CAN驅動器重新激活。

2. 熱關斷（TSD）

當器件結溫超過熱關斷閾值時，關閉CAN驅動電路，防止器件過熱損壞。當結溫下降到閾值以下一定程度時，關閉條件解除。

3. 欠壓鎖定

$V{CC}$或$V{IO}$電源終端出現(xiàn)欠壓事件時，器件進入保護模式，保護總線不受影響。不同器件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表格。

4. 未供電設備

器件在未供電時對CAN總線呈現(xiàn)“理想無源”狀態(tài)，總線和邏輯引腳的漏電流極低，避免對總線和其他電路造成負載。

5. 浮動終端

關鍵終端具有內(nèi)部上拉電阻，確保在終端浮空時器件處于已知狀態(tài)。TXD和STB引腳內(nèi)部上拉到$V{CC}$或$V{IO}$，但在瞬態(tài)或嘈雜環(huán)境下，可能需要額外的外部偏置。

6. CAN總線短路電流限制

器件具有驅動器電流限制和TXD顯性狀態(tài)超時保護功能，可限制CAN總線短路時的電流。通過計算平均短路電流，工程師可以合理選擇終端電阻和其他網(wǎng)絡組件的功率額定值。

7. 數(shù)字輸入和輸出

• 無“V”后綴的器件：由單一5 - V電源供電，數(shù)字輸入具有TTL輸入閾值，與5V和3.3V兼容，RXD輸出驅動到$V{CC}$。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驅動和高速接收器模塊供電，同時具有用于I/O電平轉換的$V{IO}$電源，用于設置TXD和RXD的輸入輸出閾值。

8. 器件功能模式

器件主要有正常模式和待機模式兩種工作模式，通過STB輸入終端進行選擇。

• 正常模式：STB為低電平時，CAN驅動器和接收器完全工作，實現(xiàn)雙向CAN通信。
• 待機模式：STB為高電平時，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)，只有低功耗接收器監(jiān)測總線活動。當檢測到喚醒模式（WUP）時，RXD輸出低電平，指示喚醒事件。

9. 驅動器和接收器功能表

詳細列出了不同輸入條件下驅動器和接收器的輸出狀態(tài)，幫助工程師理解器件的工作原理。

七、應用信息

1. 典型應用配置

該系列CAN收發(fā)器通常與包含CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的主機微處理器或FPGA一起使用，文檔中給出了5V和3.3V微處理器應用的典型配置示例。

2. 設計要求

• 總線負載、長度和節(jié)點數(shù)量：ISO 11898 - 2標準規(guī)定了最大總線長度和最大分支長度，但通過精心設計，可延長電纜長度、增加分支長度和節(jié)點數(shù)量。TCAN1042系列具有高輸入阻抗，理論上支持多達100個收發(fā)器在單總線網(wǎng)段上工作，但實際應用中需考慮信號損失、寄生負載等因素。
• CAN終端：使用與電纜特性阻抗相等的電阻對電纜兩端進行終端匹配，可防止信號反射。若需要對總線共模電壓進行濾波和穩(wěn)定，可采用分裂終端。

3. 應用曲線

文檔中給出了$I{CC}$顯性電流隨$V{CC}$電源電壓變化的曲線，幫助工程師了解器件在不同電源電壓下的電流消耗。

八、電源供應建議

器件設計工作在$V{CC}$輸入電源電壓范圍為4.5V至5.5V，部分器件的$V{IO}$電源輸入范圍為3V至5.5V。兩個電源輸入都需要良好的穩(wěn)壓，建議在CAN收發(fā)器的$V{CC}$和$V{IO}$電源終端附近分別放置大容量電容和旁路電容，以減少電源電壓紋波。

九、布局指南

1. 保護和濾波電路

將保護和濾波電路盡可能靠近總線連接器放置，可防止瞬變、ESD和噪聲進入電路板。可使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）器件、總線濾波電容和共模扼流圈等進行保護。

2. 電源和接地平面

使用電源和接地平面提供低電感路徑，高頻電流會遵循阻抗最小的路徑。

3. 過孔和電容放置

旁路和大容量電容應盡可能靠近收發(fā)器的電源終端放置，使用至少兩個過孔連接旁路電容和保護器件，以減少走線和過孔的電感。

4. 總線終端

采用分裂終端可提供總線共模濾波，放置終端時需確保在節(jié)點移除時仍有兩個終端存在于網(wǎng)絡中。

5. 數(shù)字線路限流

可使用串聯(lián)電阻限制數(shù)字線路的電流，但不是必需的。

6. 引腳處理

對于不同引腳，如TXD、$V_{IO}$、STB等，根據(jù)器件型號和應用需求進行適當處理。

十、器件和文檔支持

1. 接收文檔更新通知

可在ti.com上的器件產(chǎn)品文件夾中訂閱更新，每周接收產(chǎn)品信息更改摘要。

2. 支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、經(jīng)過驗證的解答和設計幫助的重要途徑。

3. 靜電放電注意事項

該集成電路可能會受到ESD損壞，處理時需采取適當?shù)念A防措施。

4. 術語表

文檔中提供了術語、首字母縮略詞和定義的解釋，方便工程師理解文檔內(nèi)容。

十一、機械、封裝和可訂購信息

詳細列出了不同型號器件的封裝形式、引腳數(shù)量、包裝數(shù)量、RoHS合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL等級/峰值回流溫度、工作溫度范圍和部件標記等信息，為工程師進行采購和生產(chǎn)提供了詳細的參考。

總之，TCAN1042 - Q1系列汽車類CAN收發(fā)器以其豐富的特性、廣泛的應用領域和詳細的設計指導，為汽車電子工程師提供了一個可靠、高效的解決方案。在實際設計中，工程師需要根據(jù)具體應用需求，合理選擇器件型號，精心設計電路和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用這款收發(fā)器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。