汽車類 CAN 收發器 TCAN1051-Q1 系列：特性、應用與設計要點

在汽車電子和工業控制領域，CAN（Controller Area Network）總線憑借其高可靠性、實時性和抗干擾能力，成為了數據通信的主流選擇。而 CAN 收發器作為 CAN 總線與微控制器之間的橋梁，其性能直接影響著整個系統的穩定性和數據傳輸效率。今天，我們就來詳細探討一下德州儀器（TI）推出的 TCAN1051-Q1 系列 CAN 收發器。

文件下載：tcan1051hg-q1.pdf

一、產品概述

TCAN1051-Q1 系列是一系列具有 CAN FD（Flexible Data Rate）和故障保護功能的汽車類 CAN 收發器，包括 TCAN1051-Q1、TCAN1051V-Q1、TCAN1051H-Q1 等多種型號。這些器件符合 AEC Q100 標準，適用于汽車應用，能夠滿足嚴苛的工作環境要求。

二、特性亮點

（一）標準兼容性

該系列收發器符合 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理層標準，同時還提供功能安全型設計，為系統設計人員提供了用于功能安全系統設計的相關文檔，有助于構建更加可靠的汽車電子系統。

（二）數據速率與性能

所有器件均支持經典 CAN 和 2Mbps CAN FD，其中“G”選項更是支持高達 5Mbps 的數據速率。此外，它具有較短的對稱傳播延遲時間和快速循環次數，能夠增加時序裕量，在有負載的 CAN 網絡中實現更快的數據速率，滿足了現代汽車電子系統對高速數據傳輸的需求。

（三）EMC 性能

支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3 標準，在最高 500kbps 的數據速率下無需共模扼流圈，有效降低了系統成本和設計復雜度。

（四）電源與 I/O 兼容性

I/O 電壓范圍支持 3.3V 和 5V MCU，未供電時具有理想無源行為，總線和邏輯引腳處于高阻態，無負載，并且在總線和 RXD 輸出上實現上電/斷電無干擾運行，提高了系統的穩定性。

（五）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害。
• 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境下的可靠性。
• 電源欠壓保護：$V{CC}$ 和 $V{IO}$（僅限 V 型號）電源終端具有欠壓保護功能，確保器件在電源異常時能夠正常工作。
• 驅動器顯性超時（TXD DTO）：數據速率低至 10kbps 時仍能正常工作，防止因 TXD 長時間保持顯性狀態而導致網絡通信阻塞。
• 熱關斷保護（TSD）：當器件結溫超過設定閾值時，自動關閉 CAN 驅動電路，保護器件不受過熱損壞。

三、應用領域

TCAN1051-Q1 系列收發器廣泛應用于汽車和運輸領域，適用于所有高負載 CAN 網絡，如重型機械的 ISOBUS 應用（ISO 11783）等。其高可靠性和高性能能夠滿足這些應用對數據傳輸的嚴格要求。

四、器件信息與引腳功能

（一）封裝形式

該系列器件采用 SOIC (8) 封裝和無引線 VSON (8) 封裝（3.0mm x 3.0mm），具有改進的自動光學檢查（AOI）功能，方便生產制造和質量檢測。

（二）引腳功能

不同型號的引腳功能略有差異，例如引腳 5 在不含 V 后綴的器件上為無連接（NC）引腳，在包含 V 后綴的器件上為用于 I/O 電平轉換的 $V{IO}$ 引腳；RXD 邏輯輸出在不含“V”后綴的器件上驅動為 $V{CC}$，而在包含“V”后綴的器件上驅動為 $V_{IO}$。詳細的引腳功能可參考產品文檔中的引腳功能表。

五、設計要點

（一）CAN 總線設計

• 總線負載與長度：ISO 11898-2 標準規定了最大總線長度為 40m 和最大 stub 長度為 0.3m，但通過合理設計，用戶可以使用更長的電纜和更多的節點。TCAN1051 系列收發器具有高輸入阻抗，理論上支持多達 100 個收發器在單總線段上工作，但在實際設計中，需要考慮信號損失、寄生負載等因素，合理控制節點數量和總線長度。
• CAN 終端：ISO 11898 標準要求使用與電纜特性阻抗相等的電阻（通常為 120Ω）來終端總線兩端，以防止信號反射。同時，應盡量縮短連接節點到總線的未終端支線（stubs），減少信號反射。終端可以位于電纜上或節點中，但需要確保網絡中始終存在兩個終端。

（二）電源設計

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 $V{IO}$ 輸出電平轉換電源輸入范圍為 3V 至 5.5V。為了確保電源的穩定性，應在 CAN 收發器的主 $V{CC}$ 電源輸出附近放置一個大容量電容（通常為 4.7μF），并在器件的 $V{CC}$ 和 $V_{IO}$ 電源終端附近放置一個旁路電容（通常為 0.1μF）。

（三）布局設計

• 保護與濾波電路：應將保護和濾波電路（如 TVS 二極管和總線濾波電容）盡可能靠近總線連接器放置，以防止瞬態、ESD 和噪聲進入 PCB 和系統。
• 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，減少高頻干擾。
• 旁路和大容量電容：旁路和大容量電容應盡可能靠近收發器的電源終端放置，以提高電源的穩定性。

六、總結

TCAN1051-Q1 系列 CAN 收發器以其豐富的特性、廣泛的應用領域和良好的兼容性，為汽車和工業控制領域的 CAN 網絡設計提供了一個可靠的解決方案。電子工程師在設計過程中，應充分考慮器件的特性和設計要點，合理選擇器件和進行電路設計，以確保系統的穩定性和可靠性。同時，隨著汽車電子技術的不斷發展，對 CAN 收發器的性能和功能要求也在不斷提高，我們期待德州儀器能夠推出更多優秀的產品。

在實際應用中，你是否遇到過 CAN 網絡設計的難題？你是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。