汽車級 CAN 收發器 TCAN1051-Q1 深度剖析

引言

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，成為了設備間通信的主流選擇。而 CAN 收發器作為 CAN 總線系統的關鍵組件，其性能直接影響著整個系統的穩定性和通信效率。TI（德州儀器）推出的 TCAN1051-Q1 系列 CAN 收發器，以其卓越的特性和廣泛的應用場景，備受工程師們的關注。本文將深入解析 TCAN1051-Q1 系列收發器的技術細節、應用要點以及設計注意事項。

文件下載：tcan1051hgv-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、TCAN1051HV-Q1、TCAN1051G-Q1、TCAN1051GV-Q1、TCAN1051HG-Q1 和 TCAN1051HGV-Q1 等型號。該系列產品符合 AEC Q100 標準，能滿足汽車應用在溫度、靜電放電等方面的嚴格要求，同時符合 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理層標準，為系統的兼容性和可靠性提供了有力保障。

特性亮點

1. 電氣特性：工作溫度范圍廣，可達 -40°C 至 125°C，適用于各種惡劣的汽車環境。具備出色的 ESD（Electro-Static Discharge）保護能力，HBM（Human Body Model）分級等級達 ±16kV，CDM（Charged Device Model）分級等級達 ±1500V，有效防止靜電對器件的損害。
2. 通信能力：支持經典 CAN 和 2Mbps CAN FD，部分“G”選項型號更支持高達 5Mbps 的數據速率，滿足不同應用場景對數據傳輸速度的需求。同時，具有較短的對稱傳播延遲時間和快速循環次數，增加了時序裕量，可在有負載的 CAN 網絡中實現更快的數據速率。
3. EMC 性能：支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3 標準（最高 500kbps），無需共模扼流圈，降低了系統成本和設計復雜度。
4. 電源兼容性：I/O 電壓范圍支持 3.3V 和 5V MCU，可靈活適配不同的微控制器，提高了系統的通用性。
5. 保護特性：具備多種保護機制，如 IEC ESD 保護高達 ±15kV，總線故障保護（非 H 型號為 ±58V，H 型號為 ±70V），$V{CC}$ 和 $V{IO}$（僅限 V 型號）電源終端欠壓保護，驅動器顯性超時（TXD DTO）以及熱關斷保護（TSD）等，有效提高了器件和網絡的耐用性。
6. 封裝形式：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。

應用場景

該系列收發器廣泛應用于汽車和運輸領域，適用于高負載 CAN 網絡，如重型機械、ISOBUS 應用（ISO 11783）等。在這些場景中，對通信的可靠性和實時性要求極高，TCAN1051-Q1 系列的高性能和豐富的保護特性能夠很好地滿足需求。

二、技術參數詳解

絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運行至關重要。TCAN1051-Q1 系列的主要絕對最大額定值如下：

• 電源電壓：$V{CC}$（5-V 總線電源電壓范圍）和 $V{IO}$（I/O 電平轉換電壓范圍）均為 -0.3V 至 7V。
• CAN 總線 I/O 電壓范圍：無 “H” 后綴的器件為 -58V 至 58V，有 “H” 后綴的器件為 -70V 至 70V。
• 邏輯輸入和輸出終端電壓范圍：均為 -0.3V 至 +7V 且 $V{I}≤V{IO}+0.3V$。
• 虛擬結溫范圍：-55°C 至 150°C。
• 存儲溫度范圍：-65°C 至 150°C。

ESD 評級

ESD 是電子設備在使用過程中常見的問題，可能會對器件造成永久性損壞。TCAN1051-Q1 系列在不同測試條件下的 ESD 評級表現出色：

• 人體模型（HBM）：D (SOIC) 封裝和 DRB (VSON) 封裝的所有終端均為 ±6000V，CAN 總線終端（CANH, CANL）至 GND 為 ±16000V。
• 帶電設備模型（CDM）：所有終端均為 ±1500V。
• 機器模型：所有終端均為 ±200V。

推薦工作條件

為了使器件性能達到最佳，需要在推薦的工作條件下使用。推薦工作條件如下：

• $V_{CC}$：4.5V 至 5.5V。
• $V_{IO}$：2.8V 至 5.5V。
• $I_{OH(RXD)}$：-2mA 至 0mA。
• $I_{OL(RXD)}$：0mA 至 2mA。

電氣特性

電氣特性是衡量器件性能的重要指標，包括電源特性、輸入輸出特性等。以下是部分關鍵電氣特性：

• 電源電流：在正常模式（顯性）下，典型值為 40mA 至 80mA；正常模式（隱性）和靜音模式下，典型值為 1.5mA 至 2.5mA。
• 輸入閾值電壓：TXD 和 S 引腳的高電平輸入電壓和低電平輸入電壓根據是否有 “V” 后綴有所不同，有 “V” 后綴的器件與 $V_{IO}$ 相關，無 “V” 后綴的器件為固定值。
• 輸出電壓：RXD 引腳的高電平輸出電壓和低電平輸出電壓也與是否有 “V” 后綴有關。

開關特性

開關特性影響著器件的信號傳輸速度和時序，主要包括總環路延遲、模式切換時間、傳播延遲時間等。例如，總環路延遲（從驅動器輸入 TXD 到接收器輸出 RXD）在隱性到顯性和顯性到隱性狀態下分別為典型值 100ns 至 175ns 和 110ns 至 175ns。

三、功能特性分析

TXD 顯性超時（DTO）

在正常模式下，當 TXD 持續保持顯性狀態超過預設的超時時間 $t_{TXD_DTO}$ 時，TXD DTO 電路會自動禁用 CAN 總線驅動器，避免因硬件或軟件故障導致網絡通信阻塞。當 TXD 恢復隱性信號時，CAN 驅動器重新激活。需要注意的是，TXD DTO 電路允許的最小顯性 TXD 時間會限制器件的最小傳輸數據速率。

熱關斷（TSD）

當器件的結溫超過熱關斷閾值 $T{TSD}$ 時，器件會關閉 CAN 驅動器電路，阻止 TXD 到總線的傳輸路徑，以保護器件免受過熱損壞。當結溫下降到低于熱關斷溫度 $T{TSD}$ 至少熱關斷滯后溫度 $T_{TSD_HYS}$ 時，關斷條件解除。

欠壓鎖定

當 $V{CC}$ 或 $V{IO}$ 電源終端出現欠壓事件時，欠壓檢測功能會將器件置于保護模式，保護總線不受影響。不同后綴的器件在欠壓情況下的表現有所不同，具體可參考文檔中的表格。

無電源狀態

當器件未供電時，其總線終端（CANH, CANL）和邏輯終端具有極低的泄漏電流，呈高阻態，不會對總線和其他電路造成負載，確保了在部分節點未供電的情況下，網絡仍能正常運行。

浮動終端

為了使器件在終端浮空時處于已知狀態，關鍵終端（如 TXD 和 S）具有內部上拉或下拉電阻。TXD 終端上拉至 $V{CC}$ 或 $V{IO}$，S 終端下拉至 GND。

CAN 總線短路電流限制

當 CAN 總線線路發生短路故障時，器件具有兩種保護特性：驅動器電流限制（包括顯性和隱性狀態）和 TXD 顯性狀態超時，以防止系統故障時顯性狀態的永久性高短路電流。計算總線的平均短路電流時，需要考慮顯性和隱性位的比例以及它們各自的短路電流。

數字輸入和輸出

根據是否有 “V” 后綴，器件的數字輸入和輸出特性有所不同。無 “V” 后綴的器件使用單一 5-V 電源，數字輸入具有 TTL 輸入閾值，RXD 輸出驅動到 $V{CC}$ 軌；有 “V” 后綴的器件使用 5V $V{CC}$ 電源和 $V_{IO}$ 電源進行 I/O 電平轉換，可設置 TXD 和 S 引腳的 CMOS 輸入閾值以及 RXD 高電平輸出電壓。

器件功能模式

器件具有兩種主要工作模式：正常模式和靜音模式，通過 S 輸入端子進行選擇。

• 正常模式：S 端子置低，CAN 驅動器和接收器均正常工作，CAN 通信雙向進行。
• 靜音模式：S 端子置高，CAN 驅動器禁用，接收器仍保持活動狀態，可繼續接收 CAN 總線通信數據。

四、應用設計要點

總線負載、長度和節點數量

ISO 11898-2 標準規定了最大總線長度為 40m 和最大分支長度為 0.3m。但在實際設計中，通過合理選擇高輸入阻抗的收發器（如 TCAN1051 系列），可以增加總線長度和節點數量。理論上，TCAN1051 系列支持在單個總線段上最多連接 100 個收發器，但實際應用中，需要考慮信號損失、寄生負載、網絡不平衡、接地偏移和信號完整性等因素，因此實際最大節點數量通常要低得多。

CAN 終端匹配

為了防止信號反射，ISO 11898 標準要求使用與電纜特性阻抗相等的電阻（通常為 120Ω）對電纜兩端進行終端匹配?？梢允褂脝蝹€ 120-Ω 電阻進行終端匹配，也可以采用分裂終端匹配方式，以提高網絡的電磁發射性能。同時，連接節點到總線的未終端分支線（短截線）應盡量短。

電源供應

器件的 $V{CC}$ 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。為了減少電源電壓紋波，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 $V_{IO}$ 電源端子附近放置一個旁路電容（通常為 0.1μF）。

PCB 布局

在工業環境中，為了保護器件免受 EFT（Electrical Fast Transient）和浪涌瞬變的影響，通常需要使用外部瞬態保護器件。在 PCB 設計時，應采用高頻布局技術，將 TVS 二極管和總線濾波電容盡量靠近板上連接器放置，以防止噪聲瞬態事件進一步傳播到 PCB 和系統中。同時，應合理設計總線保護組件的方向，使用電源和接地平面提供低電感路徑，減少旁路電容和保護器件的連接電感。

五、總結

TCAN1051-Q1 系列 CAN 收發器以其豐富的特性、出色的性能和廣泛的應用場景，為汽車和工業控制領域的 CAN 總線通信提供了可靠的解決方案。工程師在設計過程中，需要充分了解器件的技術參數和功能特性，結合實際應用需求，合理選擇器件型號和封裝形式，并注意總線負載、終端匹配、電源供應和 PCB 布局等方面的設計要點，以確保系統的穩定性和可靠性。希望本文能為工程師們在使用 TCAN1051-Q1 系列收發器時提供有益的參考。你在實際應用中是否遇到過與 CAN 收發器相關的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。