汽車CAN FD收發(fā)器TCAN1051-Q1系列：性能、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在汽車電子領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線作為一種廣泛應(yīng)用的通信協(xié)議，對(duì)于實(shí)現(xiàn)車輛各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制起著至關(guān)重要的作用。而CAN收發(fā)器則是CAN總線通信中的關(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，我們就來詳細(xì)介紹一下德州儀器（TI）的TCAN1051-Q1系列CAN收發(fā)器。

文件下載：TCAN1051GVDRBRQ1.pdf

一、產(chǎn)品概述

TCAN1051-Q1系列包括TCAN1051-Q1、TCAN1051V-Q1、TCAN1051H-Q1、TCAN1051HV-Q1、TCAN1051G-Q1、TCAN1051GV-Q1、TCAN1051HG-Q1和TCAN1051HGV-Q1等型號(hào)。這些收發(fā)器均符合AEC Q100標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車應(yīng)用，工作溫度范圍為-40°C至125°C。它們滿足ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持經(jīng)典CAN和最高2 Mbps的CAN FD（Flexible Data Rate）通信，部分型號(hào)（帶“G”后綴）還支持5 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

二、關(guān)鍵特性

（一）電氣特性與性能

1. ESD保護(hù)：具備出色的靜電放電（ESD）保護(hù)能力，HBM分類等級(jí)達(dá)到±16 kV，CDM分類等級(jí)為±1500 V，能有效防止因靜電引起的設(shè)備損壞。
2. 總線故障保護(hù)：非“H”變體的總線故障保護(hù)電壓為±58 V，“H”變體則高達(dá)±70 V，增強(qiáng)了設(shè)備在復(fù)雜電氣環(huán)境下的可靠性。
3. 電源保護(hù)：部分型號(hào)（帶“V”后綴）具備(V{CC})和(V{IO})的欠壓保護(hù)功能，確保在電源電壓異常時(shí)設(shè)備能進(jìn)入保護(hù)模式，避免對(duì)總線造成影響。
4. 低功耗與快速響應(yīng)：正常模式下，電源電流較低，如正常模式（隱性）時(shí)(I_{CC})典型值為1.5 mA，最大值為2.5 mA。同時(shí)，具有短而對(duì)稱的傳播延遲時(shí)間和快速的環(huán)路時(shí)間，典型環(huán)路延遲為110 ns，有助于提高CAN網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序裕度和數(shù)據(jù)傳輸速率。

（二）功能特性

1. TXD主導(dǎo)超時(shí)（DTO）：在正常模式下，當(dāng)TXD信號(hào)長時(shí)間保持主導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，DTO電路會(huì)自動(dòng)禁用CAN總線驅(qū)動(dòng)器，防止網(wǎng)絡(luò)通信阻塞。當(dāng)TXD出現(xiàn)隱性信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)重新激活，保證總線通信的正常進(jìn)行。
2. 熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)設(shè)備的結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值（(T{TSD}=170°C)）時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器電路會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，總線終端偏置為隱性電平，而接收器到RXD的路徑仍保持工作。當(dāng)結(jié)溫下降到低于熱關(guān)斷溫度至少熱關(guān)斷遲滯溫度（(T{TSD_HYS}=5°C)）時(shí)，關(guān)斷狀態(tài)解除。
3. 欠壓鎖定：當(dāng)(V{CC})或(V{IO})電源端子出現(xiàn)欠壓事件時(shí)，設(shè)備會(huì)進(jìn)入保護(hù)模式，總線輸出和RXD輸出變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)，保護(hù)總線不受影響。
4. 無電源時(shí)的理想無源特性：當(dāng)設(shè)備未供電時(shí)，總線終端（CANH、CANL）和邏輯終端的泄漏電流極低，不會(huì)對(duì)總線和其他電路造成負(fù)載，確保網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)未供電時(shí)其他節(jié)點(diǎn)仍能正常工作。
5. 浮動(dòng)終端處理：關(guān)鍵終端（如TXD和S）具有內(nèi)部上拉或下拉電阻，當(dāng)終端浮空時(shí)，能使設(shè)備處于已知狀態(tài)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
6. CAN總線短路電流限制：具備驅(qū)動(dòng)器電流限制和TXD主導(dǎo)狀態(tài)超時(shí)功能，可限制CAN總線短路時(shí)的電流，避免因短路故障導(dǎo)致設(shè)備損壞。

（三）通信特性

1. 支持多種數(shù)據(jù)速率：所有設(shè)備支持經(jīng)典CAN和2 Mbps的CAN FD，帶“G”后綴的型號(hào)支持5 Mbps的數(shù)據(jù)速率，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
2. EMC性能：支持SAE J2962-2和IEC 62228-3（最高500 kbps）標(biāo)準(zhǔn)，無需共模扼流圈，減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。
3. I/O電壓范圍：I/O電壓范圍支持3.3 V和5 V的微控制器，具有良好的兼容性。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

（一）汽車與交通運(yùn)輸

該系列收發(fā)器適用于各種汽車電子系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）、車身電子、底盤控制等，能滿足高負(fù)載CAN網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

（二）重型機(jī)械ISOBUS應(yīng)用

符合ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)，可用于重型機(jī)械的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）電源設(shè)計(jì)

設(shè)備的(V{CC})輸入電源電壓范圍為4.5 V至5.5 V，部分型號(hào)的(V{IO})輸入電源電壓范圍為3 V至5.5 V，且兩個(gè)電源輸入都需要良好的穩(wěn)壓。建議在CAN收發(fā)器的主(V{CC})電源輸出附近放置一個(gè)4.7 μF的大容量電容，同時(shí)在設(shè)備的(V{CC})和(V_{IO})電源端子附近放置一個(gè)0.1 μF的旁路電容，以減少開關(guān)電源輸出的電壓紋波，補(bǔ)償PCB電源平面和走線的電阻和電感。

（二）布局設(shè)計(jì)

1. 保護(hù)和濾波電路：將保護(hù)和濾波電路盡可能靠近總線連接器放置，如使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管或壓敏電阻來增強(qiáng)ESD和瞬態(tài)保護(hù)能力。同時(shí)，可在CANH和CANL線上放置可選的總線濾波電容和串聯(lián)共模扼流圈（CMC）。
2. 信號(hào)路徑設(shè)計(jì)：按照信號(hào)路徑設(shè)計(jì)總線保護(hù)組件，避免瞬態(tài)電流偏離信號(hào)路徑，確保保護(hù)裝置能有效發(fā)揮作用。
3. 電源和接地平面：使用電源（(V_{CC})）和接地平面提供低電感路徑，因?yàn)楦哳l電流會(huì)遵循阻抗最小的路徑。
4. 過孔和電容放置：旁路和大容量電容應(yīng)盡可能靠近收發(fā)器的電源端子放置，使用至少兩個(gè)過孔連接旁路電容和保護(hù)裝置的電源和接地，以減少走線和過孔的電感。
5. 總線終端：采用120-Ω的電阻對(duì)CAN總線進(jìn)行終端匹配，可使用單電阻終端或分裂終端（Split Termination）。分裂終端能改善總線共模電壓的波動(dòng)，提高網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性。

（三）數(shù)字輸入輸出設(shè)計(jì)

1. 5-V (V_{CC})僅設(shè)備（無“V”后綴）：這類設(shè)備由單個(gè)5-V電源供電，數(shù)字輸入具有TTL輸入閾值，與5 V和3.3 V的微控制器兼容。RXD輸出在邏輯高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)到(V{CC})，TXD引腳內(nèi)部上拉到(V{CC})，S引腳下拉到GND。但在使用具有開漏TXD輸出的CAN控制器時(shí)，需要使用適當(dāng)?shù)耐獠可侠娮鑱泶_保CAN控制器輸出到TXD輸入的位時(shí)序。
2. 5 V (V{CC})帶(V{IO}) I/O電平轉(zhuǎn)換設(shè)備（有“V”后綴）：使用5 V (V{CC})電源為CAN驅(qū)動(dòng)器和高速接收器模塊供電，同時(shí)有一個(gè)用于I/O電平轉(zhuǎn)換的(V{IO})電源。該電源用于設(shè)置TXD和S引腳的CMOS輸入閾值以及RXD的高電平輸出電壓，TXD引腳內(nèi)部上拉到(V_{IO})，S引腳下拉到GND。

五、總結(jié)

TCAN1051-Q1系列CAN收發(fā)器以其出色的電氣性能、豐富的保護(hù)功能和良好的兼容性，為汽車和工業(yè)應(yīng)用中的CAN總線通信提供了可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，合理的電源設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)和數(shù)字輸入輸出設(shè)計(jì)對(duì)于確保設(shè)備的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。希望本文能為電子工程師在使用TCAN1051-Q1系列收發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。

你在使用TCAN1051-Q1系列收發(fā)器的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。