汽車類 CAN 收發器 TCAN1042-Q1 系列：設計與應用全解析

在汽車電子和工業控制領域，CAN（Controller Area Network）總線作為一種可靠的通信協議，廣泛應用于各種設備之間的數據傳輸。而 CAN 收發器則是實現 CAN 總線通信的關鍵組件，它負責將微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回數字信號供微控制器處理。今天，我們就來詳細探討一下德州儀器（TI）推出的 TCAN1042-Q1 系列汽車類 CAN 收發器。

文件下載：tcan1042v-q1.pdf

一、產品概述

TCAN1042-Q1 系列包括 TCAN1042-Q1、TCAN1042V-Q1、TCAN1042H-Q1、TCAN1042HV-Q1、TCAN1042G-Q1、TCAN1042GV-Q1、TCAN1042HG-Q1 和 TCAN1042HGV-Q1 等型號。該系列收發器符合 ISO11898-2 (2016) 高速 CAN 物理層標準，支持經典 CAN 和高達 2Mbps 的 CAN FD（靈活數據速率），其中型號包含“G”后綴的器件更是能實現高達 5Mbps 的數據速率。此外，該系列還具備多種保護特性，能有效提高器件和網絡的耐用性，非常適合汽車和運輸、重型機械等應用場景。

二、產品特性

（一）汽車級認證與標準合規性

該系列產品通過了 AEC-Q100（等級 1）認證，符合汽車應用的嚴格要求。同時，它還滿足 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理層標準，為汽車電子系統的可靠性提供了堅實保障。

（二）功能安全設計

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，降低系統風險，確保在復雜環境下的可靠運行。

（三）高速數據傳輸能力

支持經典 CAN 和 2Mbps CAN FD，“G”選項更是支持 5Mbps 的數據速率，能滿足不同應用場景對數據傳輸速度的需求。此外，它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 CAN 網絡中實現更快的數據速率。

（四）優秀的 EMC 性能

支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3（最高 500kbps）標準，無需共模扼流圈，有效降低了系統成本和復雜度。

（五）寬 I/O 電壓范圍

I/O 電壓范圍支持 3.3V 和 5V MCU，具有良好的兼容性，方便工程師進行系統設計。

（六）理想無源行為

在未供電時，總線和邏輯引腳處于高阻態（無負載），并在總線和 RXD 輸出上實現上電/斷電無干擾運行，避免對總線造成不必要的影響。

（七）多重保護特性

• ESD 保護：IEC ESD 保護高達 ±15kV，能有效抵御靜電干擾，提高產品的可靠性。
• 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，增強了產品在惡劣環境下的抗干擾能力。
• 欠壓保護：$V_{CC}$ 和 VIO（僅限 V 型號）電源終端具有欠壓保護，確保在電源電壓不穩定時，產品仍能正常工作。
• 驅動器顯性超時（TXD DTO）：數據速率低至 10kbps 時，可防止因硬件或軟件故障導致 TXD 長時間處于顯性狀態，影響網絡通信。
• 熱關斷保護（TSD）：當器件結溫超過閾值時，自動關閉 CAN 驅動電路，保護器件不受損壞。

（八）寬溫度范圍與封裝形式

結溫范圍為 –55°C 至 150°C，能適應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。

三、應用場景

（一）汽車和運輸

適用于各種汽車電子系統，如發動機控制單元、車身電子、底盤控制等。支持高負載 CAN 網絡，滿足汽車內部復雜的通信需求。同時，針對汽車應用的 SAE J2284 高速 CAN、GMW3122 雙線制 CAN 物理層等標準，該系列產品也能很好地兼容。

（二）重型機械

在重型機械的 ISOBUS 應用（ISO 11783）中，TCAN1042-Q1 系列收發器可實現可靠的通信，確保設備之間的數據傳輸穩定。

四、器件信息與引腳配置

（一）器件信息

（二）引腳配置與功能

需要注意的是，對于 DRB（VSON）封裝選項，熱焊盤可連接到 GND 以優化封裝的熱特性。

五、電氣特性與參數

（一）絕對最大額定值

（二）ESD 評級

（三）推薦工作條件

（四）熱信息與功率評級

熱信息和功率評級對于評估器件的散熱性能和功耗非常重要。該系列產品的熱信息包括結到空氣、結到電路板、結到外殼的熱阻等，功率評級則給出了不同測試條件下的平均功率耗散，具體數值可參考文檔中的相關表格。

（五）電氣特性與開關特性

電氣特性和開關特性描述了器件在不同工作條件下的電氣性能和開關速度。這些特性包括電源電流、輸入輸出電壓、傳播延遲時間等，對于設計 CAN 總線系統時的信號完整性和時序分析具有重要意義。

六、詳細功能描述

（一）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 長時間處于顯性狀態，影響網絡通信。當 TXD 下降沿觸發 DTO 電路定時器開始計時，如果在超時時間 $t_{TXD_DTO}$ 內未檢測到上升沿，則禁用 CAN 總線驅動器，釋放總線供其他節點通信。當 TXD 檢測到隱性信號時，CAN 驅動器重新激活。

（二）熱關斷（TSD）

當器件結溫超過熱關斷閾值 $T{TSD}$ 時，自動關閉 CAN 驅動電路，防止器件過熱損壞。在熱關斷期間，CAN 總線終端偏置到隱性電平，接收器到 RXD 路徑仍可正常工作。當結溫下降至少 $T{TSD_HYS}$ 后，熱關斷條件解除。

（三）欠壓鎖定

電源終端具有欠壓檢測功能，當 $V{CC}$ 或 $V{IO}$ 電源終端出現欠壓事件時，將器件置于保護模式，保護總線不受影響。不同型號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相關表格。

（四）未供電設備

未供電時，器件對 CAN 總線呈“理想無源”或“無負載”狀態，總線終端（CANH, CANL）的泄漏電流極低，避免對總線造成負載影響。

（五）浮動終端

關鍵終端具有內部上拉電阻，當終端浮空時，可將器件置于已知狀態。TXD 終端上拉到 $V{CC}$ 或 $V{IO}$，強制輸入為隱性電平；STB 終端上拉，使器件進入低功耗待機模式。

（六）CAN 總線短路電流限制

該系列產品具有兩種保護特性來限制 CAN 總線短路電流：驅動器電流限制（顯性和隱性狀態）和 TXD 顯性狀態超時。在 CAN 通信中，總線在顯性和隱性狀態之間切換，可根據數據幀中的數據以及協議和物理層的相關因素確定顯性和隱性位的比例，從而計算平均短路電流。

（七）數字輸入輸出

• 無“V”后綴的器件：由單一 5V 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 $V{CC}$ 總線，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。該電源用于設置 TXD 和 RXD 引腳的 CMOS 輸入閾值和高電平輸出電壓，TXD 和 STB 引腳內部上拉到 $V_{IO}$。

（八）設備功能模式

該系列產品具有兩種主要工作模式：正常模式和待機模式，通過 STB 輸入終端進行選擇。

• 正常模式：STB 終端置低，CAN 驅動器和接收器完全工作，實現雙向 CAN 通信。
• 待機模式：STB 終端置高，總線發射器停止發送數據，正常模式接收器停止接收數據，總線線路偏置到地，降低系統電源電流。只有低功耗接收器會持續監測總線活動，當檢測到喚醒模式（WUP）時，RXD 輸出低電平，指示有效喚醒事件。

七、應用信息與設計建議

（一）應用場景與設計要求

TCAN1042-Q1 系列收發器通常與包含 CAN 協議數據鏈路層部分的主機微處理器或 FPGA 配合使用。在設計 CAN 總線系統時，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為 40m 和最大分支長度為 0.3m，但通過精心設計，可延長電纜長度和分支長度，并增加總線上的節點數量。該系列產品具有高輸入阻抗，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，為保證信號完整性和系統可靠性，節點數量通常會遠低于此值。

（二）CAN 終端設計

ISO 11898 標準規定 CAN 總線互連應使用具有 120Ω 特性阻抗的雙絞線電纜，為防止信號反射，應在電纜兩端使用與線路特性阻抗相等的電阻進行終端匹配。未終端的分支線路應盡量短，以減少信號反射。終端可以是電纜末端的單個 120Ω 電阻，也可以采用分割終端方式，以改善網絡的電磁輻射性能。

（三）電源供應建議

該系列產品的 $V{CC}$ 輸入電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，部分型號的 $V{IO}$ 電源電壓范圍為 3V 至 5.5V。為確保電源穩定性，應在 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），以減少開關電源輸出的電壓紋波，并補償 PCB 電源平面和走線的電阻和電感。

（四）布局指南

在 PCB 設計中，為保護器件免受工業環境中可能出現的 EFT 和浪涌瞬變影響，通常需要使用外部瞬態保護器件。由于 ESD 和瞬態信號的頻率帶寬較寬（約 3MHz 至 3GHz），因此在 PCB 設計時應采用高頻布局技術。該系列產品具有較高的片上 IEC ESD 保護能力，但如果需要更高的系統級抗擾度，可使用外部 TVS 二極管。TVS 二極管和總線濾波電容應盡量靠近板載連接器放置，以防止噪聲瞬態事件進一步傳播到 PCB 和系統中。

八、總結

TCAN1042-Q1 系列汽車類 CAN 收發器以其豐富的特性、優秀的性能和廣泛的應用場景，為汽車電子和工業控制領域的 CAN 總線通信提供了可靠的解決方案。在設計 CAN 總線系統時，工程師應充分了解該系列產品的特性和參數，結合實際應用需求，合理選擇型號，并遵循相關的設計建議和布局指南，以確保系統的可靠性和穩定性。同時，TI 提供了完善的文檔支持和技術論壇，工程師可以通過訂閱文檔更新通知獲取最新的產品信息，并在 TI E2E? 支持論壇上獲取快速、經過驗證的解答和設計幫助。

希望