TCAN1051：具有CAN FD和故障保護功能的CAN收發器深度解析

在電子工程師的日常工作中，CAN收發器是構建可靠通信網絡的關鍵組件。今天，我們來深入探討一下TI公司的TCAN1051系列CAN收發器，它在眾多應用場景中展現出了卓越的性能和可靠性。

文件下載：tcan1051hv.pdf

一、產品概述

TCAN1051系列包括TCAN1051、TCAN1051G、TCAN1051GV等多種型號，符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理層標準，為CAN FD網絡提供了強大的支持。所有器件均設計用于數據速率高達2Mbps的CAN FD網絡，而帶有“G”后綴的器件更是能實現高達5Mbps的數據速率，滿足了不同應用場景對高速數據傳輸的需求。

二、特性亮點

2.1 高速與兼容性

• 支持多種CAN標準：支持經典CAN和2Mbps CAN FD，“G”選項還支持5Mbps，為不同的CAN應用提供了靈活的選擇。
• I/O電壓范圍廣：I/O電壓范圍支持3.3V和5V MCU，方便與不同電壓的微控制器進行接口。

2.2 保護特性

• ESD保護：HBM ESD保護高達±16kV，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型號提供±58V的總線故障保護，H型號更是達到了±70V，增強了器件在惡劣環境下的可靠性。
• 其他保護功能：包括$V_{CC}$和VIO（僅限V型號）電源終端的欠壓保護、驅動器顯性超時（TXD DTO）和熱關斷保護（TSD）等，全方位保障器件和網絡的安全。

2.3 理想無源行為

未供電時，總線和邏輯引腳處于高阻態，在總線和RXD輸出上實現上電/斷電無干擾運行，避免對其他節點造成影響。

2.4 封裝優勢

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，方便生產制造和檢測。

三、應用場景

3.1 工業領域

適用于工業自動化、控制、傳感器和驅動系統，以及樓宇、安全和溫度控制自動化等場景，為工業設備之間的可靠通信提供保障。

3.2 交通運輸

可用于重型機械ISOBUS應用ISO 11783，滿足交通運輸領域對高負載CAN網絡的需求。

3.3 通信領域

在電信基站狀態和控制中也有廣泛應用，確保基站設備之間的穩定通信。

3.4 其他CAN總線標準應用

諸如CANopen、DeviceNet、NMEA2000、ARNIC825、ISO11783、CANaerospace等CAN總線標準的應用場景中，TCAN1051都能發揮重要作用。

四、技術規格詳解

4.1 絕對最大額定值

規定了器件在不同參數下的最大承受范圍，如$V_{CC}$的電壓范圍為 - 0.3V至7V，不同型號的CAN總線I/O電壓范圍也有所不同，非H型號為 - 58V至58V，H型號為 - 70V至70V等。在設計時，必須嚴格遵守這些額定值，以確保器件的安全運行。

4.2 ESD評級

詳細列出了不同封裝（D(SOIC)和DRB(VSON)）下的ESD測試條件和對應數值，如人體模型（HBM）ESD應力電壓在所有終端可達±6000V，CAN總線終端（CANH, CANL）至GND更是高達±16000V，反映了器件良好的防靜電能力。

4.3 推薦工作條件

明確了$V{CC}$和$V{IO}$的推薦電壓范圍，以及RXD終端的輸出電流要求，為工程師在實際應用中提供了準確的參考。

4.4 電氣特性

包含了Supply Characteristics、S Terminal、TXD Terminal、RXD Terminal等多個方面的電氣參數，如5 - V Supply current在不同模式下的典型值和最大值，不同終端的輸入輸出電壓、電流、電容等特性，這些參數對于電路設計和性能分析至關重要。

4.5 開關特性

規定了器件在不同狀態下的開關時間，如總循環延遲、模式更改時間、傳播延遲時間等，對于確保信號的準確傳輸和系統的實時性具有重要意義。

4.6 典型特性

通過圖表展示了$V{OD(D)}$隨溫度、$V{CC}$的變化，以及$I_{CC}$ Recessive隨溫度的變化等典型特性曲線，幫助工程師直觀了解器件在不同條件下的性能表現。

五、功能特性深入剖析

5.1 TXD Dominant Timeout (DTO)

在正常模式下，當TXD被長時間保持為顯性狀態時，TXD DTO電路會在超時時間$t_{TXD_DTO}$后禁用CAN總線驅動器，避免阻塞網絡通信。當TXD出現隱性信號時，CAN驅動器會重新激活，恢復正常通信。需要注意的是，TXD DTO電路允許的最小TXD顯性時間限制了器件的最小傳輸數據速率。

5.2 Thermal Shutdown (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，將CAN總線終端偏置到隱性電平，同時接收器到RXD的路徑仍保持工作。當結溫下降到低于$T{TSD}$至少熱關斷滯后溫度$T_{TSD_HYS}$時，關斷條件解除。

5.3 Undervoltage Lockout

當$V{CC}$或$V{IO}$電源終端出現欠壓事件時，器件會進入保護模式，根據不同的欠壓情況，總線輸出和RXD會呈現不同的狀態，如高阻抗或鏡像總線狀態等。在欠壓條件清除且電源恢復到有效水平后，器件通常會在50μs內恢復正常運行。

5.4 Unpowered Device

未供電時，器件對CAN總線呈現“理想無源”狀態，總線和邏輯終端的泄漏電流極低，避免對其他節點造成負載影響，確保網絡的正常運行。

5.5 Floating Terminals

關鍵終端具有內部上拉電阻，當終端浮空時，能使器件處于已知狀態。例如，TXD終端會被上拉到$V{CC}$或$V{IO}$，S終端會被下拉，使器件進入正常模式。

5.6 CAN Bus Short Circuit Current Limiting

器件具備兩種保護功能來限制CAN總線短路時的電流，即驅動器電流限制和TXD顯性狀態超時。通過考慮CAN幀中的數據以及協議和物理層的相關因素，可以計算出總線的平均短路電流，在設計網絡時，需要根據這些因素合理選擇終端電阻和其他網絡組件的功率額定值。

5.7 Digital Inputs and Outputs

• 5 - V $V_{CC}$ Only Devices：由單5 - V電源供電，數字輸入具有TTL輸入閾值，與5V和3.3V兼容，RXD輸出在邏輯高電平時驅動到$V_{CC}$。在與具有開漏TXD輸出的CAN控制器配合使用時，需要特別考慮TXD上拉強度和CAN位時序，使用適當的外部上拉電阻。
• 5 V $V{CC}$ with $V{IO}$ I/O Level Shifting：使用5V $V{CC}$電源為CAN驅動器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S引腳的CMOS輸入閾值以及RXD高電平輸出電壓。

六、設備功能模式

6.1 正常模式（Normal Mode）

將S終端設置為低電平時，進入正常模式。此時CAN驅動器和接收器完全工作，實現CAN通信的雙向傳輸。驅動器將TXD的數字輸入轉換為CANH和CANL的差分輸出，接收器將CANH和CANL的差分信號轉換為RXD的數字輸出。

6.2 靜音模式（Silent Mode）

將S終端設置為高電平時，激活靜音模式。CAN驅動器被禁用，阻止從TXD引腳到CAN總線的通信，但高速接收器仍然工作，CAN總線的通信信息會繼續傳輸到RXD輸出引腳。

七、應用設計要點

7.1 設計要求

• 總線負載、長度和節點數量：雖然ISO 11898 - 2標準規定了最大總線長度和最大分支長度，但通過精心設計，可以增加電纜長度、分支長度和節點數量。TCAN1051系列具有高輸入阻抗，理論上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、網絡不平衡等因素，合理確定節點數量和總線長度。
• CAN終端：ISO 11898標準規定使用120Ω特性阻抗的雙絞線電纜，并在電纜兩端使用相同阻值的電阻進行終端匹配，以防止信號反射。可以采用單120 - Ω電阻終端或分裂終端，分裂終端有助于改善網絡的電磁發射特性。

7.2 詳細設計程序

• CAN終端：確保電纜兩端的終端電阻匹配，盡量縮短連接節點到總線的未終端分支線長度。如果需要對總線的共模電壓進行濾波和穩定，可以使用分裂終端。
• 布局設計：在PCB設計中，要將保護和濾波電路靠近總線連接器，使用$V_{CC}$和接地平面提供低電感，旁路和大容量電容要盡量靠近收發器的電源端子，合理設計總線終端和數字線路的限流電阻等。

7.3 電源供應建議

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，兩個電源輸入都必須進行良好的穩壓處理。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），以減少電源電壓紋波和補償PCB電源平面和走線的電阻和電感。

八、總結

TCAN1051系列CAN收發器憑借其高速、可靠、多功能等特點，在眾多應用領域中展現出了強大的競爭力。作為電子工程師，在設計CAN網絡時，我們需要充分了解其特性、規格和應用要點，合理選擇和使用該器件，以確保設計出的系統能夠穩定、高效地運行。在實際應用中，你是否遇到過類似CAN收發器的設計難題呢？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。