TCAN1042-Q1汽車類CAN收發器：設計與應用全解析

在汽車電子領域，CAN（Controller Area Network）總線作為一種可靠的通信方式，廣泛應用于各種汽車系統中。而CAN收發器則是CAN總線通信的關鍵組件，它負責將CAN控制器的數字信號轉換為適合在CAN總線上傳輸的差分信號，以及將總線上的差分信號轉換為數字信號供CAN控制器處理。今天，我們就來詳細探討一下德州儀器（TI）的TCAN1042-Q1系列汽車類CAN收發器。

文件下載：tcan1042hg-q1.pdf

一、特性亮點

1. 汽車級標準與兼容性

TCAN1042-Q1系列符合AEC-Q100（等級1）標準，這意味著它能夠滿足汽車應用的嚴格要求，具備高可靠性和穩定性。同時，它還符合ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007物理層標準，確保了與其他符合這些標準的設備能夠良好兼容。

2. 功能安全支持

該系列產品提供功能安全相關文檔，可幫助工程師進行功能安全系統設計。在汽車電子系統中，功能安全至關重要，它能夠確保系統在出現故障時仍能保持安全運行，減少潛在的風險。

3. “Turbo”CAN技術

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5Mbps的數據速率。這種高速數據傳輸能力使得系統能夠更快地傳輸大量數據，提高了通信效率。此外，它還具有較短的對稱傳播延遲時間和快速循環次數，可增加時序裕量，在有負載的CAN網絡中也能實現更快的數據速率。

4. 出色的EMC性能

支持SAE J2962-2和IEC 62228-3（最高500kbps）標準，并且在某些情況下無需共模扼流圈，這不僅降低了系統成本，還減少了電路板的空間占用。

5. 寬I/O電壓范圍與理想無源行為

I/O電壓范圍支持3.3V和5V MCU，提高了與不同微控制器的兼容性。未供電時，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，這對于多節點的CAN網絡非常重要，可避免對其他節點造成影響。

6. 多重保護特性

具備多種保護特性，如IEC ESD保護高達±15kV，可有效防止靜電放電對器件造成損壞；總線故障保護方面，非H型號可達±58V，H型號可達±70V，增強了器件在惡劣環境下的可靠性；$V{CC}$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）可防止長時間發送顯性信號導致網絡阻塞，熱關斷保護（TSD）可在器件溫度過高時自動關閉，保護器件不受損壞。

7. 廣泛的溫度范圍與封裝選擇

結溫范圍為–55°C至150°C，適用于各種惡劣的工作環境。采用SOIC（8）封裝和無引線VSON（8）封裝（3.0mm x 3.0mm），提高了自動光學檢測（AOI）能力，方便生產制造。

二、應用場景

1. 汽車和運輸領域

該系列器件適用于所有高負載CAN網絡，可用于汽車的各種電子系統，如發動機控制單元、車身電子系統、底盤控制系統等。同時，也可應用于重型機械的ISOBUS應用（ISO 11783），滿足不同類型車輛和機械設備的通信需求。

2. 高速CAN應用

針對汽車應用的SAE J2284高速CAN、GMW3122雙線制CAN物理層等標準，TCAN1042-Q1系列都能提供良好的支持，確保高速、可靠的通信。

三、器件信息與對比

1. 封裝信息

該系列器件提供SOIC（8）和VSON（8）兩種封裝形式，不同封裝尺寸不同，用戶可根據實際需求進行選擇。

2. 器件對比

不同型號的TCAN1042-Q1在總線故障保護、數據速率、I/O電平轉換等方面存在差異。例如，帶有“H”后綴的型號具有更高的總線故障保護電壓（±70V），而帶有“G”后綴的型號支持更高的數據速率（5Mbps），帶有“V”后綴的型號則具備I/O電平轉換功能。用戶在選擇器件時，應根據具體的應用需求和系統要求進行綜合考慮。

四、參數與特性詳解

1. 絕對最大額定值

規定了器件在各種電源電壓、總線電壓、邏輯輸入輸出電壓等方面的最大允許值，超出這些范圍可能會導致器件永久性損壞。例如，$V_{CC}$的范圍為-0.3V至7V，不同型號的CAN總線I/O電壓范圍也有所不同。

2. ESD評級

該系列器件具有較高的ESD保護能力，如HBM分類級別為3A（±6000V），對于CANH和CANL引腳相對于GND的HBM分類級別可達3B（±16000V），CDM分類級別為C6（±1500V）。在系統級ESD測試中，也表現出良好的性能，如CAN總線端子（CANH，CANL）到GND的SAE J2962-2標準測試中，靜電放電可達±15000V（空氣放電）和±8000V（接觸放電）。

3. 推薦工作條件

給出了器件正常工作時的電源電壓范圍、輸出電流等參數的推薦值。例如，$V{CC}$的推薦范圍為4.5V至5.5V，$V{IO}$的推薦范圍為3V至5.5V。

4. 熱信息

提供了器件的熱阻、熱關斷溫度等熱學參數。不同封裝的熱阻不同，如SOIC（8）封裝的結到空氣熱阻為105.8°C/W，而VSON（8）封裝的結到空氣熱阻為48.3°C/W。熱關斷溫度為170°C，熱關斷滯回為5°C，可確保器件在高溫環境下的安全運行。

5. 電氣特性

詳細列出了器件在不同工作模式下的電源電流、輸入輸出電壓、電流等電氣參數。例如，在正常模式（顯性）下，5-V電源電流在不同負載條件下有所不同，典型值在40 - 80mA之間；在待機模式下，電流則大幅降低。

6. 開關特性

包括總環路延遲、模式轉換時間、濾波時間等開關參數。總環路延遲在不同的轉換狀態下有所不同，如從隱性到顯性的總環路延遲典型值為110ns。模式轉換時間從正常模式到待機模式或從待機模式到正常模式的典型值為9μs。

7. 典型特性

給出了一些典型的特性曲線，如$V{OD(D)}$隨溫度的變化曲線、$I{CC}$隱性電流隨溫度的變化曲線等，幫助工程師更好地了解器件在不同條件下的性能。

五、詳細功能描述

1. TXD顯性超時（DTO）

在正常模式下，TXD DTO電路可防止因硬件或軟件故障導致TXD長時間保持顯性狀態而阻塞網絡通信。當TXD信號的下降沿觸發DTO電路定時器開始計時，如果在超時時間$t_{TXD_DTO}$內沒有檢測到上升沿，DTO電路將禁用CAN總線驅動器，釋放總線供其他節點通信。當TXD終端檢測到隱性信號時，CAN驅動器將重新激活。

2. 熱關斷（TSD）

當器件的結溫超過熱關斷閾值（$T_{TSD}$）時，器件將關閉CAN總線驅動器，以防止過熱損壞。此時，總線終端被偏置到隱性電平，接收器和RXD終端仍能反映CAN總線上的活動。當結溫下降到低于熱關斷溫度減去熱關斷滯回溫度時，器件將恢復正常工作。

3. 欠壓鎖定

$V{CC}$和$V{IO}$電源終端具有欠壓檢測功能，當電源電壓低于設定的閾值時，器件將進入保護模式，以保護總線不受影響。不同型號的器件在欠壓情況下的狀態和輸出有所不同，具體可參考相關表格。

4. 未供電設備

當器件未供電時，總線端子（CANH，CANL）具有極低的泄漏電流，不會對CAN總線造成負載，確保其他節點的正常工作。

5. 浮動端子

器件的關鍵端子（如TXD和STB）具有內部上拉電阻，當這些端子浮空時，可將器件置于已知狀態。但在瞬態或嘈雜環境下，內部偏置可能不足以滿足系統級偏置要求，需要額外的外部電路進行處理。

6. CAN總線短路電流限制

器件具有兩種保護功能來限制CAN總線短路時的電流：驅動器電流限制和TXD顯性狀態超時。在計算平均短路電流時，需要考慮節點的發送和接收比例、顯性和隱性位的比例以及相應的穩態短路電流。在設計網絡時，應根據短路電流和可能的故障情況來確定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

• 僅$V_{CC}$供電的器件（無“V”后綴）：由單一的5-V電源供電，數字輸入具有TTL輸入閾值，與5V和3.3V的微控制器兼容。RXD輸出在邏輯高電平時驅動到$V{CC}$。TXD和STB引腳內部上拉到$V{CC}$。當與具有開漏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，可能需要使用適當的外部上拉電阻。
• 具有$V_{IO}$ I/O電平轉換的器件（有“V”后綴）：使用5V $V{CC}$電源為CAN驅動器和高速接收器模塊供電，同時具有第二個電源$V{IO}$用于I/O電平轉換。該電源用于設置CMOS輸入閾值和RXD高電平輸出電壓。TXD和STB引腳內部上拉到$V_{IO}$。

8. 器件功能模式

• 正常模式：通過將STB端子設置為低電平來選擇正常模式。此時，CAN驅動器和接收器完全工作，CAN通信是雙向的。驅動器將TXD上的數字輸入轉換為CANH和CANL上的差分輸出，接收器將CANH和CANL上的差分信號轉換為RXD上的數字輸出。
• 待機模式：將STB端子設置為高電平可激活低功耗待機模式。在該模式下，總線發送器不發送數據，正常模式接收器也不接收數據，總線線路偏置到地，以最小化系統電源電流。只有低功耗接收器會主動監視總線上的活動。當檢測到有效的喚醒模式（WUP）時，RXD將指示有效的喚醒事件。

9. CAN總線狀態

CAN總線在器件通電運行時有顯性和隱性兩種狀態。顯性總線狀態對應于TXD和RXD端子上的邏輯低電平，此時總線被差分驅動；隱性總線狀態對應于TXD和RXD端子上的邏輯高電平，此時總線通過接收器的高電阻內部輸入電阻$R{IN}$偏置到$V{CC} / 2$。

10. 遠程喚醒請求

在待機模式下，器件提供遠程喚醒請求功能，通過檢測ISO11898-2（2016）標準中的多個濾波顯性喚醒模式（WUP）來判斷總線上的活動。當接收到有效的WUP時，RXD輸出端子將出現下降沿并保持低電平，向微控制器指示喚醒請求。WUP由濾波顯性脈沖、濾波隱性脈沖和第二個濾波顯性脈沖組成，這些脈沖不需要連續出現，且在濾波位之間沒有超時限制。

11. 驅動器和接收器功能表

詳細列出了器件在不同輸入條件下的輸出狀態，幫助工程師了解驅動器和接收器的工作原理。例如，在驅動器功能表中，當STB為低電平、TXD為低電平時，CANH輸出高電平，CANL輸出低電平，總線處于顯性狀態。

六、應用信息

1. 設計要求

• 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和最大支線長度為0.3m，但通過精心設計，用戶可以使用更長的電纜、更長的支線長度和更多的節點。TCAN1042系列具有高輸入阻抗，理論上支持單個總線段上最多100個收發器，但在實際設計中，需要考慮信號損失、寄生負載、網絡不平衡等因素，實際節點數量通常會遠低于理論值。
• CAN終端：ISO 11898標準規定使用特性阻抗為120Ω的雙絞線電纜，并在電纜兩端使用等于特性阻抗的電阻進行終端匹配，以防止信號反射。可以使用單個120-Ω電阻進行終端匹配，也可以使用分裂終端匹配，分裂終端匹配可以改善網絡的電磁輻射特性。

2. 典型應用

給出了使用5V和3.3V CAN控制器的典型CAN總線應用電路，展示了如何將TCAN1042-Q1系列器件與微處理器配合使用。

七、電源供應與布局建議

1. 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$V{IO}$電源電壓范圍為3V至5.5V。為了減少電源電壓紋波，應在CAN收發器的$V{CC}$和$V{IO}$電源輸出端附近分別放置大容量電容（通常為4.7μF）和旁路電容（通常為0.1μF）。

2. 布局

在PCB設計中，應采用高頻布局技術，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。可以使用瞬態電壓抑制（TVS）器件、總線濾波電容和串聯共模扼流圈等進行保護。同時，應使用電源和接地平面提供低電感，旁路和大容量電容應盡可能靠近收發器的電源端子。

八、支持與文檔

1. 文檔更新通知

用戶可以在ti.com上的器件產品文件夾中訂閱更新，每周接收產品信息更改摘要，并查看修訂歷史記錄了解詳細更改信息。

2. 支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、經過驗證的解答和設計幫助的重要資源。

3. 靜電放電注意事項

該集成電路可能會受到ESD損壞，因此在處理和安裝時應采取適當的預防措施。

九、總結

TCAN1042-Q1系列汽車類CAN收發器具有高性能、高可靠性和豐富的功能特性，適用于各種汽車和工業應用。在設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求選擇合適的型號，并合理考慮電源供應、布局等因素，以確保系統的穩定運行。希望通過本文的介紹，能夠幫助工程師更好地了解和使用TCAN1042-Q1系列收發器。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。