具備 CAN FD 的 TCAN33x 3.3V CAN 收發器：設計與應用全解析

在工業自動化、汽車電子等眾多領域，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 總線系統中的關鍵組件，其性能優劣直接影響著整個系統的穩定性和通信效率。今天，我們就來深入探討一下 TI 推出的具備 CAN FD（靈活數據速率）的 TCAN33x 3.3V CAN 收發器。

文件下載：tcan334g.pdf

一、特性亮點

1. 電源與速率優勢

TCAN33x 系列采用 3.3V 單電源工作，這使得它可以直接連接 3.3V CAN 控制器/MCU，簡化了電路設計。同時，TCAN33xG 器件的數據速率高達 5Mbps，能夠滿足高速通信的需求，而普通的 TCAN33x 器件數據傳輸速率也能達到 1Mbps，為不同應用場景提供了靈活的選擇。

2. 標準兼容性

該系列器件符合 ISO 11898 - 2 標準，這意味著它能夠與其他符合該標準的 CAN 設備無縫兼容，保證了在不同系統中的通用性和互操作性。

3. 封裝形式多樣

提供 SOIC - 8 和 SOT - 23 兩種封裝選項。SOIC - 8 封裝便于插接，適用于大多數常規應用；而 SOT - 23 封裝則更小巧，適合空間受限的應用場景，如小型傳感器節點、便攜式設備等。

4. 工作模式豐富

• 正常模式：所有器件都支持的基本工作模式，CAN 驅動和接收器完全工作，實現雙向通信。
• 低功耗待機模式：僅 TCAN334 具備，具有喚醒功能。在該模式下，CAN 驅動和主接收器關閉，低功耗接收器和總線監視器開啟，可通過 CAN 總線進行喚醒請求，大大降低了功耗，適合對功耗要求較高的應用。
• 靜音模式：TCAN330 和 TCAN337 支持，此時 CAN 驅動禁用，接收器正常工作，實現單向接收功能，可用于只需要監聽總線數據的場景。
• 關斷模式：TCAN330 和 TCAN334 支持，這是最低功耗模式，CAN 驅動和接收器都關閉，總線引腳被拉至 GND，無法進行通信，但能最大程度降低功耗。

5. 寬電壓范圍與保護特性

• 寬共模工作電壓范圍：具備 ±12V 的寬共模工作電壓范圍，能適應復雜的電磁環境，增強了系統的抗干擾能力。
• 總線引腳故障保護：總線引腳具有 ±14V 的故障保護，可防止因過壓、短路等故障對器件造成損壞。
• ESD 保護：總線終端具有出色的 ESD 保護，HBM ESD 保護超過 ±25kV，IEC61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電保護超過 ±12kV，有效提高了器件的可靠性。
• 其他保護特性：還具備驅動器顯性超時（TXD DTO）、接收器顯性超時（RXD DTO）、(V_{CC}) 欠壓保護、熱關斷保護和總線引腳限流等功能，全方位保障了 CAN 網絡的穩定性。

6. 低延遲與寬溫度范圍

總環路延遲 < 135ns，確保了數據的快速傳輸和響應。工作環境溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，能適應各種惡劣的工業和汽車環境。

7. 優化的未上電性能

未上電時，總線和邏輯引腳為高阻抗，不會對運行總線或應用產生負載；上電/斷電過程中無干擾運行，保證了系統的穩定性。

8. 出色的 EMC 性能

由于顯性共模和隱性共模相匹配，該系列器件具有出色的 EMC 性能，能有效減少電磁干擾，提高系統的電磁兼容性。

二、應用領域

1. 高速 CAN 網絡

TCAN33xG 器件可實現具有靈活數據速率網絡的 CAN 中的 5Mbps 運行，適用于對數據傳輸速率要求較高的應用，如高速傳感器數據采集、工業機器人控制等。

2. 高負載 CAN 網絡

在高負載 CAN 網絡中，1Mbps 的運行速率也能滿足大多數應用需求，可廣泛應用于工業自動化、控制、傳感器和驅動系統等領域。

3. 自動化系統

在樓宇、安全和溫度控制自動化系統中，TCAN33x 收發器可實現設備間的可靠通信，確保系統的穩定運行。

4. 電信基站

用于電信基站的狀態和控制，實時傳輸基站的運行數據和控制指令。

5. 遵循多種 CAN 總線標準

支持 CANopen、DeviceNet、NMEA2000、ARINC825、ISO11783、CANaerospace 等多種 CAN 總線標準，適用于不同行業的特定應用需求。

三、詳細說明

1. 標準兼容性與數據速率

TCAN33x 器件系列與 ISO 11898 高速 CAN 物理層標準兼容。其中，TCAN330、TCAN332、TCAN334 和 TCAN337 的數據傳輸速率均高達 1Mbps；而 TCAN330G、TCAN332G、TCAN334G 和 TCAN337G 器件則支持更高的數據速率，其 ISO 11898 - 2 更新版本發布正在審理中，包括 CAN FD 和定義環路延遲對稱的附加時序參數。

2. 保護特性確保網絡穩定

該器件具有許多保護特性，其中驅動器和接收器顯性超時（DTO）特性尤為重要。TXD DTO 可防止因硬件或軟件故障導致 TXD 長時間保持顯性狀態，從而阻塞網絡通信；RXD DTO 則可防止總線長時間處于顯性狀態時，RXD 輸出一直保持低電平，確保了 CAN 網絡的穩定性。

3. ESD 保護增強系統可靠性

集成了 12kV IEC - 61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電保護，無需使用附加組件即可確保系統級的穩定性，降低了設計成本和復雜度。

4. 電源兼容性與低功耗特性

通過使用 3.3V 單電源，收發器可以直接連接 3.3V CAN 控制器/MCU，同時完全兼容同一總線上的其他 5V CAN 收發器。超低功耗的關斷模式和待機模式，對電池供電型應用極具吸引力，可有效延長設備的續航時間。

5. 封裝特點

提供便于插接的標準 8 引腳 SOIC 封裝以及面向空間受限類應用的小型 SOT - 23 封裝，滿足不同設計需求。

四、參數規格

1. 絕對最大額定值

• 電源電壓范圍 (V_{CC})：- 0.3V 至 5V
• 總線終端電壓 (V)：- 14V 至 14V
• 邏輯輸入/輸出終端電壓范圍：- 0.3V 至 5V
• 邏輯輸出電流 (I_{O(LOGIC)})：最大 8mA
• 工作結溫范圍 (T_J)：- 40°C 至 150°C
• 存儲溫度 (T_{stg})：最大 150°C

2. ESD 評級

• HBM 模型：所有引腳（除 CANH 和 CANL） ±4000V，CANH 和 CANL 引腳 ±25000V
• CDM 模型：所有引腳 ±1500V
• IEC 61400 - 4 - 2 接觸放電：CANH 和 CANL 端子至 GND ±12000V

3. 推薦工作條件

• 電源電壓 (V_{CC})：3V 至 3.6V
• 邏輯終端高電平輸出電流 (I_{OH(LOGIC)})：- 2mA
• 邏輯終端低電平輸出電流 (I_{OL(LOGIC)})：最大 2mA
• 工作環境溫度 (T_A)：- 40°C 至 125°C

4. 熱信息

不同封裝的熱阻參數有所不同，如 SOIC - 8 封裝的結到環境熱阻 (R{θJA}) 為 114.4°C/W，SOT - 23 - 8 封裝的結到環境熱阻 (R{θJA}) 為 154.4°C/W。熱關斷溫度為 175°C，熱關斷滯后為 5°C。

5. 電氣特性

• 電源電流：不同工作模式下的電源電流不同，如正常模式下，典型總線負載時最大為 55mA，高總線負載時最大為 60mA；靜音模式下最大為 2.5mA；待機模式下，溫度低于 85°C 時最大為 20μA；關斷模式下，溫度低于 85°C 時最大為 2.5μA。
• 驅動器輸出電壓：總線輸出電壓（顯性）CANH 為 2.45V 至 (V_{CC})，CANL 為 0.5V 至 1.25V；總線輸出電壓（隱性）為 1.85V。
• 接收器特性：輸入閾值電壓在正常模式和選擇性喚醒模式下為 500mV 至 900mV，滯回電壓為 120mV，共模范圍為 - 12V 至 12V。

6. 開關特性

• 總環路延遲：在不同負載條件下，總環路延遲在 100ns 至 180ns 之間。
• 模式切換時間：模式變化時間為 5μs 至 10μs。
• 驅動和接收器傳播延遲：驅動高電平到隱性的傳播延遲 (t{pHR}) 為 25ns，低電平到顯性的傳播延遲 (t{pLD}) 為 20ns；接收器總線隱性輸入到高 RXD 輸出的傳播延遲 (t{pRH}) 為 62ns，總線顯性輸入到 RXD 低輸出的傳播延遲 (t{pDL}) 為 56ns。
• 顯性超時時間：TXD 顯性超時 (t_{TXDDTO}) 為 1.2ms 至 3.8ms，RXD 顯性超時 (t{RXD_DTO}) 為 1.6ms 至 5ms。

五、應用設計要點

1. 總線負載、長度和節點數量

ISO 11898 標準規定數據速率最高為 1Mbps，最大 CAN 總線電纜長度為 40m，最大分支線長度為 0.3m，最多 30 個節點。但通過精心的網絡設計，系統可以有更長的電纜、更長的分支線和更多的節點。TCAN33x 系列具有高輸入阻抗和寬共模范圍，適用于高節點數的網絡。在設計 CAN 網絡時，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，合理確定節點數量和總線長度。

2. 典型應用電路

典型的 3.3V 應用電路包括 3 - V 電壓調節器、TCAN33x CAN 收發器和 3 - V MCU。在設計時，需要注意 CAN 總線的終端匹配，通常在總線兩端使用 120Ω 電阻進行終端匹配，以防止信號反射。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，即使用兩個 60Ω 電阻和一個電容。

3. 電源供應建議

為了確保在所有數據速率和電源電壓下可靠運行，每個電源都應使用一個 100nF 陶瓷電容進行去耦，且該電容應盡可能靠近 (V_{CC}) 電源引腳。TPS76333 是適合 3.3V 電源的線性電壓調節器。

4. PCB 布局指南

• 保護和濾波電路設計：由于 ESD 和 EFT 瞬變具有較寬的頻率帶寬（約 3MHz 至 3GHz），在 PCB 設計時應采用高頻布局技術。在 CANH 和 CANL 上使用瞬態電壓抑制器（TVS）和電容進行額外的系統級保護，這些器件應盡可能靠近連接器放置。
• 總線終端：采用分裂終端時，要注意將終端電阻和電容合理布局，確保其對總線的共模濾波效果。同時，要注意避免終端節點被移除，以免影響信號完整性。
• 去耦電容：旁路和大容量電容應盡可能靠近收發器的電源引腳放置。
• 接地和電源連接：使用至少兩個過孔連接 (V_{CC}) 和接地，以減少走線和過孔電感。
• 數字輸入和輸出：可使用串聯電阻限制數字線路的電流，使用電容對數字 I/O 線路進行濾波。
• 故障輸出引腳（僅 TCAN337）：FAULT 輸出引腳為開漏輸出，需要一個外部上拉電阻將引腳電壓拉高，以保證正常工作。
• TXD 輸入引腳：如果使用開漏主機處理器驅動 TXD 引腳，需要使用一個 1kΩ 至 10kΩ 的外部上拉電阻，以幫助驅動器件的隱性輸入狀態。

六、總結

TCAN33x 系列 3.3V CAN 收發器憑借其豐富的特性、出色的性能和廣泛的應用領域，為 CAN 總線系統設計提供了一個優秀的解決方案。在實際設計過程中，電子工程師需要根據具體應用需求，合理選擇器件型號、優化電路設計和 PCB 布局，以充分發揮該系列收發器的優勢，確保系統的穩定性和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和應用 TCAN33x 收發器。

你在使用 TCAN33x 收發器的過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。