TCAN1042-Q1系列汽車類CAN收發器：設計與應用指南

在汽車電子領域，可靠的通信是確保系統穩定運行的關鍵。CAN（Controller Area Network）總線作為一種廣泛應用的通信協議，其收發器的性能直接影響著整個網絡的可靠性和效率。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TCAN1042-Q1系列具有CAN FD和故障保護功能的汽車類CAN收發器。

文件下載：tcan1042hgv-q1.pdf

一、特性剖析

1. 汽車級標準與兼容性

TCAN1042-Q1系列符合AEC - Q100（等級1）標準，這意味著它完全滿足汽車應用的嚴格要求。同時，它還符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理層標準，為汽車網絡通信提供了堅實的基礎。此外，該系列還提供功能安全相關文檔，有助于工程師進行功能安全系統的設計。

2. “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高達5Mbps的數據速率。這種高速數據傳輸能力得益于其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速率。

3. 出色的EMC性能

該系列支持SAE J2962 - 2和IEC 62228 - 3（最高500kbps）標準，并且在這些速率下無需共模扼流圈，大大簡化了設計，降低了成本。

4. 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，具有良好的兼容性。在未供電時，總線和邏輯引腳處于高阻態，無負載，且在總線和RXD輸出上實現上電/斷電無干擾運行，保證了系統的穩定性。

5. 全面的保護特性

• ESD保護：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型號的總線故障保護為±58V，H型號則達到±70V，增強了器件在惡劣環境下的可靠性。
• 欠壓保護：$V_{CC}$和VIO（僅限V型號）電源終端具有欠壓保護功能，確保器件在電壓不穩定時的正常工作。
• 驅動器顯性超時（TXD DTO）：數據速率低至10kbps時仍能正常工作，防止因硬件或軟件故障導致的網絡阻塞。
• 熱關斷保護（TSD）：當結溫超過閾值時，自動關閉CAN驅動電路，保護器件不受過熱損壞。

6. 其他特性

接收器共模輸入電壓范圍為±30V，典型循環延遲為110ns，結溫范圍為 – 55°C至150°C，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。

二、應用領域

1. 汽車和運輸

該系列器件適用于所有高負載CAN網絡，包括重型機械ISOBUS應用（ISO 11783）、針對汽車應用的SAE J2284高速CAN、GMW3122雙線制CAN物理層等，并且符合SAE J2962、GIFT/ICT、ISO16845的要求。

三、器件說明

1. 標準與速率

這款CAN收發器系列符合ISO1189 - 2 (2016)高速CAN物理層標準，所有器件均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高達5Mbps的數據速率，而帶有“V”后綴的器件配有提供I/O電平的輔助電源輸入，用于設置輸入引腳閾值和RXD輸出電平。

2. 低功耗與保護特性

該系列具備低功耗待機模式及遠程喚醒請求特性，所有器件都提供多種保護特性，如上述提到的ESD保護、總線故障保護等，提高了器件和網絡的耐用性。

3. 器件信息

注：如需了解所有可用封裝，請參閱數據表末尾的可訂購產品附錄。

四、規格參數

1. 絕對最大額定值

規定了器件在不同參數下的最大和最小工作范圍，如$V{CC}$、$V{IO}$、$V{BUS}$等電壓范圍，以及$I{O(RXD)}$、$T{J}$、$T{STG}$等電流和溫度范圍。超出這些范圍可能會導致器件永久性損壞。

2. ESD額定值

包括人體模型（HBM）、帶電設備模型（CDM）、機器模型（MM）等不同測試條件下的ESD等級，以及系統級ESD和電氣快速瞬變（EFT）測試結果，確保器件在靜電環境下的可靠性。

3. 推薦工作條件

給出了$V{CC}$、$V{IO}$等電源電壓的推薦范圍，以及RXD終端的高低電平輸出電流范圍，以保證器件在最佳狀態下工作。

4. 熱信息

提供了不同封裝形式下的熱阻參數，如$R{JA}$（結到空氣熱阻）、$R{JB}$（結到板熱阻）等，以及熱關斷溫度和熱關斷滯后溫度，幫助工程師進行散熱設計。

5. 功率額定值

給出了不同測試條件下的平均功率耗散，如在典型CAN工作條件和高負載CAN工作條件下的功率消耗，為電源設計提供參考。

6. 電氣特性

詳細描述了器件在不同工作模式下的電氣參數，如5 - V供電電流、IO供電電流、欠壓檢測電壓、輸入輸出電壓和電流等，是工程師進行電路設計和性能評估的重要依據。

7. 開關特性

包括總環路延遲、模式切換時間、濾波時間等開關參數，反映了器件的動態性能。

8. 典型特性

通過圖表展示了$V{OD(D)}$隨溫度、$I{CC}$隱性電流隨溫度、總環路延遲隨溫度等典型特性，幫助工程師了解器件在不同溫度下的性能變化。

五、參數測量信息

文檔中提供了各種參數的測試電路和測量方法，如驅動器測試電路、接收器測試電路、模式切換時間測試電路等，為工程師進行實際測試和驗證提供了詳細的指導。

六、詳細描述

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出現下降沿時，DTO電路定時器開始計時，若在超時時間內未出現上升沿，則禁用CAN總線驅動器，釋放總線供其他節點通信。當TXD出現隱性信號時，CAN驅動器重新激活。

2. 熱關斷（TSD）

當器件結溫超過熱關斷閾值時，關閉CAN驅動電路，防止器件過熱損壞。當結溫下降到閾值以下一定程度時，關閉條件解除。

3. 欠壓鎖定

$V{CC}$或$V{IO}$電源終端出現欠壓事件時，器件進入保護模式，保護總線不受影響。不同器件在欠壓情況下的狀態和輸出有所不同，具體可參考文檔中的表格。

4. 未供電設備

器件在未供電時對CAN總線呈現“理想無源”狀態，總線和邏輯引腳的漏電流極低，避免對總線和其他電路造成負載。

5. 浮動終端

關鍵終端具有內部上拉電阻，確保在終端浮空時器件處于已知狀態。TXD和STB引腳內部上拉到$V{CC}$或$V{IO}$，但在瞬態或嘈雜環境下，可能需要額外的外部偏置。

6. CAN總線短路電流限制

器件具有驅動器電流限制和TXD顯性狀態超時保護功能，可限制CAN總線短路時的電流。通過計算平均短路電流，工程師可以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

• 無“V”后綴的器件：由單一5 - V電源供電，數字輸入具有TTL輸入閾值，與5V和3.3V兼容，RXD輸出驅動到$V{CC}$。TXD和STB引腳內部上拉到$V{CC}$。
• 有“V”后綴的器件：使用5V $V{CC}$電源為CAN驅動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RXD的輸入輸出閾值。

8. 器件功能模式

器件主要有正常模式和待機模式兩種工作模式，通過STB輸入終端進行選擇。

• 正常模式：STB為低電平時，CAN驅動器和接收器完全工作，實現雙向CAN通信。
• 待機模式：STB為高電平時，總線發射器停止發送數據，正常模式接收器停止接收數據，只有低功耗接收器監測總線活動。當檢測到喚醒模式（WUP）時，RXD輸出低電平，指示喚醒事件。

9. 驅動器和接收器功能表

詳細列出了不同輸入條件下驅動器和接收器的輸出狀態，幫助工程師理解器件的工作原理。

七、應用信息

1. 典型應用配置

該系列CAN收發器通常與包含CAN協議數據鏈路層的主機微處理器或FPGA一起使用，文檔中給出了5V和3.3V微處理器應用的典型配置示例。

2. 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和最大分支長度，但通過精心設計，可延長電纜長度、增加分支長度和節點數量。TCAN1042系列具有高輸入阻抗，理論上支持多達100個收發器在單總線網段上工作，但實際應用中需考慮信號損失、寄生負載等因素。
• CAN終端：使用與電纜特性阻抗相等的電阻對電纜兩端進行終端匹配，可防止信號反射。若需要對總線共模電壓進行濾波和穩定，可采用分裂終端。

3. 應用曲線

文檔中給出了$I{CC}$顯性電流隨$V{CC}$電源電壓變化的曲線，幫助工程師了解器件在不同電源電壓下的電流消耗。

八、電源供應建議

器件設計工作在$V{CC}$輸入電源電壓范圍為4.5V至5.5V，部分器件的$V{IO}$電源輸入范圍為3V至5.5V。兩個電源輸入都需要良好的穩壓，建議在CAN收發器的$V{CC}$和$V{IO}$電源終端附近分別放置大容量電容和旁路電容，以減少電源電壓紋波。

九、布局指南

1. 保護和濾波電路

將保護和濾波電路盡可能靠近總線連接器放置，可防止瞬變、ESD和噪聲進入電路板。可使用瞬態電壓抑制（TVS）器件、總線濾波電容和共模扼流圈等進行保護。

2. 電源和接地平面

使用電源和接地平面提供低電感路徑，高頻電流會遵循阻抗最小的路徑。

3. 過孔和電容放置

旁路和大容量電容應盡可能靠近收發器的電源終端放置，使用至少兩個過孔連接旁路電容和保護器件，以減少走線和過孔的電感。

4. 總線終端

采用分裂終端可提供總線共模濾波，放置終端時需確保在節點移除時仍有兩個終端存在于網絡中。

5. 數字線路限流

可使用串聯電阻限制數字線路的電流，但不是必需的。

6. 引腳處理

對于不同引腳，如TXD、$V_{IO}$、STB等，根據器件型號和應用需求進行適當處理。

十、器件和文檔支持

1. 接收文檔更新通知

可在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。

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途徑。

3. 靜電放電注意事項

該集成電路可能會受到ESD損壞，處理時需采取適當的預防措施。

4. 術語表

文檔中提供了術語、首字母縮略詞和定義的解釋，方便工程師理解文檔內容。

十一、機械、封裝和可訂購信息

詳細列出了不同型號器件的封裝形式、引腳數量、包裝數量、RoHS合規性、引腳鍍層/球材料、MSL等級/峰值回流溫度、工作溫度范圍和部件標記等信息，為工程師進行采購和生產提供了詳細的參考。

總之，TCAN1042 - Q1系列汽車類CAN收發器以其豐富的特性、廣泛的應用領域和詳細的設計指導，為汽車電子工程師提供了一個可靠、高效的解決方案。在實際設計中，工程師需要根據具體應用需求，合理選擇器件型號，精心設計電路和布局，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用這款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。