TCAN1051-Q1：汽車類 CAN 收發器的卓越之選

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通信效率。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的 TCAN1051-Q1 系列具有 CAN FD 和故障保護功能的汽車類 CAN 收發器。

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一、特性亮點

1. 汽車級標準與兼容性

TCAN1051-Q1 系列完全符合 AEC Q100 標準，這意味著它能夠滿足汽車應用在溫度、靜電放電（ESD）等方面的嚴格要求。其溫度等級 1 覆蓋了 -40°C 至 125°C 的范圍，HBM 分級等級達到 ±16kV，CDM 分級等級為 ±1500V，確保了在惡劣環境下的可靠運行。同時，該系列還符合 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理層標準，為系統設計提供了強大的兼容性支持。

2. 高速數據傳輸能力

“Turbo”CAN 技術是該系列的一大特色。所有器件均支持經典 CAN 和 2Mbps CAN FD（靈活數據速率），而帶有“G”選項的器件更是支持高達 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，能夠有效增加時序裕量，在有負載的 CAN 網絡中實現更快的數據傳輸。

3. 出色的 EMC 性能

在電磁兼容性（EMC）方面，TCAN1051-Q1 系列表現卓越。它支持 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，大大簡化了系統設計。

4. 寬 I/O 電壓范圍與理想無源行為

該系列的 I/O 電壓范圍支持 3.3V 和 5V MCU，為不同的微控制器提供了靈活的接口選擇。在未供電時，總線和邏輯引腳處于高阻態，實現了理想的無源行為，避免了對總線的負載影響，同時在總線和 RXD 輸出上實現了上電/斷電無干擾運行。

5. 全面的保護特性

為了確保系統的可靠性和穩定性，TCAN1051-Q1 系列具備多種保護特性。IEC ESD 保護高達 ±15kV，總線故障保護可達 ±58V（非 H 型號）和 ±70V（H 型號），$V{CC}$ 和 $V{IO}$（僅限 V 型號）電源終端具有欠壓保護，驅動器顯性超時（TXD DTO）功能可防止總線阻塞，熱關斷保護（TSD）可在溫度過高時自動關閉驅動器，接收器共模輸入電壓范圍為 ±30V，有效提高了系統的抗干擾能力。

二、應用領域

TCAN1051-Q1 系列適用于多種汽車和運輸應用，尤其在高負載 CAN 網絡中表現出色。它還可用于重型機械的 ISOBUS 應用，滿足 ISO 11783 標準的要求。

三、器件說明

該系列 CAN 收發器符合 ISO1189-2 (2016) 高速 CAN 物理層標準，設計用于數據速率高達 2Mbps 的 CAN FD 網絡。帶有“G”后綴的器件旨在實現更高的 5Mbps 數據速率，而帶有“V”后綴的器件則配備了輔助電源輸入，用于設置輸入引腳閾值和 RXD 輸出電平。此外，該系列還具有靜音模式（僅偵聽模式），為系統設計提供了更多的靈活性。

四、引腳配置與功能

TCAN1051-Q1 系列采用 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。不同的引腳配置適用于不同的應用場景，例如引腳 5 的功能在不含 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。

五、規格參數

1. 絕對最大額定值

該系列器件在不同的電壓和溫度條件下具有明確的絕對最大額定值，例如 5-V 總線電源電壓范圍為 -0.3V 至 7V，CAN 總線 I/O 電壓范圍根據不同型號有所不同，非 H 型號為 -58V 至 58V，H 型號為 -70V 至 70V 等。這些參數為系統設計提供了安全邊界，確保器件在正常工作時不會受到損壞。

2. ESD 評級

在靜電放電保護方面，該系列器件表現出色。不同封裝（D (SOIC) 和 DRB (VSON)）的所有終端在 Human Body Model (HBM) 下的 ESD 應力電壓為 ±6000V，CAN 總線終端（CANH, CANL）到 GND 的 HBM ESD 應力電壓高達 ±16000V，Charged Device Model (CDM) ESD 應力電壓為 ±1500V，Machine Model 下所有終端為 ±200V。

3. 推薦工作條件

為了確保器件的最佳性能，推薦的工作條件包括 5-V 總線電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，IO 電平轉換電壓范圍為 2.8V 至 5.5V 等。在這些條件下，器件能夠穩定運行，提供可靠的通信性能。

4. 熱信息

熱信息對于器件的散熱設計至關重要。該系列器件的熱阻參數包括結到空氣熱阻、結到板熱阻、結到殼（頂部）熱阻等，同時還給出了熱關斷溫度和熱關斷滯后溫度等參數，為系統的散熱設計提供了參考。

5. 功率額定值

在不同的測試條件下，器件的平均功率耗散有所不同。例如，在典型的 CAN 操作條件下，平均功率耗散為 52mW，而在高負載條件下，功率耗散可達 124mW。了解這些功率額定值有助于合理設計電源和散熱系統。

6. 電氣特性

電氣特性涵蓋了器件在不同工作模式下的各種參數，如 5-V 電源電流、I/O 電源電流、輸入輸出電壓閾值、輸入輸出電流等。這些參數對于系統的電氣設計和性能評估具有重要意義。

7. 開關特性

開關特性包括總環路延遲、模式改變時間、傳播延遲時間、脈沖偏斜、信號上升和下降時間等。這些參數直接影響著器件的通信速度和響應時間，對于高速 CAN 網絡的設計至關重要。

8. 典型特性

典型特性通過圖表的形式展示了器件在不同溫度、電壓等條件下的性能變化，如 $V{OD(D)}$ 隨溫度和 $V{CC}$ 的變化、$I_{CC}$ 隱性電流隨溫度的變化等。這些圖表有助于工程師更好地了解器件的性能特點，進行系統優化。

六、詳細描述

1. TXD 顯性超時（DTO）

TXD DTO 電路是該系列器件的一項重要保護功能。在正常模式下，當 TXD 保持顯性狀態的時間超過預設的超時時間 $t_{TXDDTO}$ 時，DTO 電路會自動禁用 CAN 總線驅動器，釋放總線以便其他節點進行通信。當 TXD 檢測到隱性信號時，驅動器會重新激活。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可能傳輸數據速率，可通過公式 Minimum Data Rate = 11 / $t{TXD_DTO}$ 進行計算。

2. 熱關斷（TSD）

當器件的結溫超過熱關斷閾值 $T{TSD}$ 時，器件會自動關閉 CAN 驅動器電路，阻止 TXD 到總線的傳輸路徑。在熱關斷期間，CAN 總線終端被偏置到隱性電平，接收器到 RXD 的路徑仍然保持工作。當結溫下降到低于熱關斷閾值至少熱關斷滯后溫度 $T{TSD_HYS}$ 時，關斷條件會被清除。

3. 欠壓鎖定

該系列器件的電源終端具有欠壓檢測功能，當 $V{CC}$ 或 $V{IO}$ 電源電壓低于設定的閾值時，器件會進入保護模式，保護總線不受影響。不同后綴的器件在欠壓鎖定時的表現有所不同，具體可參考相關表格。

4. 未供電設備

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，避免了對總線和其他電路的負載影響。這一特性在網絡中部分節點未供電而其他節點仍在運行的情況下尤為重要。

5. 浮動終端

為了確保器件在終端浮動時能夠進入已知狀態，該系列器件在關鍵終端上設置了內部上拉電阻。例如，TXD 終端被上拉到 $V{CC}$ 或 $V{IO}$，S 終端被下拉到 GND，從而保證了系統的穩定性。

6. CAN 總線短路電流限制

在 CAN 總線發生短路故障時，器件具有兩種保護特性來限制短路電流：驅動器電流限制和 TXD 顯性狀態超時?？偩€的短路電流取決于隱性和顯性位的比例及其各自的短路電流，可通過公式 $I_{OS(AVG)} = %Transmit times [(%DOMBits times I{OS(SS)_DOM}) + (%RECBits times I{OS(SS)REC})] + [%Receive times I{OS(SS)_REC}]$ 計算平均短路電流。在設計網絡時，需要考慮短路電流和可能的故障情況，合理選擇終端電阻和其他網絡組件的功率額定值。

7. 數字輸入和輸出

對于 5-V $V{CC}$ 僅供電的器件，其數字輸入具有 TTL 輸入閾值，與 5V 和 3.3V 微控制器兼容。RXD 輸出在邏輯高電平時驅動到 $V{CC}$ 軌，TXD 引腳內部上拉到 $V{CC}$，S 引腳下拉到 GND。而對于帶有“V”后綴的器件，使用 5V $V{CC}$ 電源為 CAN 驅動器和高速接收器供電，并通過 $V_{IO}$ 進行 I/O 電平轉換。

8. 器件功能模式

TCAN1051-Q1 系列器件具有兩種主要的工作模式：正常模式和靜音模式，可通過 S 輸入終端進行選擇。在正常模式下，CAN 驅動器和接收器均處于啟用狀態，實現雙向通信；在靜音模式下，CAN 驅動器被禁用，接收器仍然工作，僅接收總線數據。

七、應用信息

1. 設計要求

在 CAN 網絡設計中，需要考慮總線負載、長度和節點數量等因素。ISO 11898-2 標準規定了最大總線長度和最大分支長度，但通過合理設計，可以延長電纜長度、增加分支長度和節點數量。TCAN1051 系列收發器具有高輸入阻抗，理論上支持在單個總線段上連接多達 100 個收發器，但在實際應用中，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數據速率。

2. 詳細設計程序

CAN 終端

ISO 11898 標準規定 CAN 總線應使用特性阻抗為 120Ω 的雙絞線電纜，并在電纜兩端使用與特性阻抗相等的電阻進行終端匹配，以防止信號反射。未終端的分支線應盡量短，以減少信號反射的影響。終端電阻可以位于電纜上或節點中，但如果節點可能從總線上移除，需要確保網絡中始終存在兩個終端。

3. 典型應用

該系列器件適用于各種 CAN 總線應用，如汽車電子、工業控制等。在典型應用中，需要合理設計電源、濾波和保護電路，以確保系統的穩定性和可靠性。

八、電源供應建議

TCAN1051-Q1 系列器件的 $V{CC}$ 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。為了保證器件的穩定運行，兩個電源輸入都需要進行良好的穩壓。建議在 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 $V{CC}$ 和 $V_{IO}$ 電源終端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。

九、布局建議

1. 布局指南

在 PCB 設計中，合理的布局對于減少干擾和提高系統性能至關重要。建議將保護和濾波電路盡可能靠近總線連接器，以防止瞬態、ESD 和噪聲進入電路板。使用 TVS 二極管和總線濾波電容時，應將它們放置在靠近板上連接器的位置，避免噪聲瞬態事件進一步傳播到 PCB 和系統中。同時，應使用電源和接地平面提供低電感路徑，確保高頻電流能夠沿著阻抗最小的路徑流動。

2. 布局示例

提供的布局示例展示了如何合理安排各個組件，包括 TVS 器件、總線濾波電容、終端電阻等。在實際設計中，可以根據具體應用需求進行調整，但需要遵循布局指南的基本原則。

十、器件和文檔支持

TI 為 TCAN1051-Q1 系列器件提供了豐富的開發工具和文檔支持。工程師可以通過 ti.com 網站獲取相關文檔，并訂閱文檔更新通知。此外，TI E2E? 支持論壇為工程師提供了一個獲取快速、準確答案和設計幫助的平臺。

十一、機械、封裝和可訂購信息

該系列器件提供了多種封裝選項，如 SOIC (8) 和無引線 VSON (8) 封裝。不同的封裝在尺寸、引腳配置等方面有所不同，可根據具體應用需求進行選擇。同時，文檔中還提供了詳細的可訂購信息，包括訂單號、狀態、材料類型、包裝數量、RoHS 合規性等，方便工程師進行采購。

總之，TCAN1051-Q1 系列汽車類 CAN 收發器以其豐富的特性、出色的性能和全面的保護功能，為汽車電子和工業控制領域的 CAN 網絡設計提供了一個可靠的解決方案。希望通過本文的介紹，能夠幫助廣大工程師更好地了解和應用這款優秀的產品。在實際設計過程中，還需要根據具體的應用場景和需求，仔細研究器件的規格參數和使用說明，確保系統的穩定性和可靠性。你在使用 CAN 收發器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。