UJA1076A：高速 CAN 核心系統基礎芯片的全面解析

在電子工程師的日常工作中，尋找一款性能卓越、功能豐富且穩定可靠的芯片至關重要。今天，我們就來深入探討 NXP 推出的 UJA1076A 高速 CAN 核心系統基礎芯片（SBC），看看它能為我們的設計帶來哪些驚喜。

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一、概述

UJA1076A 是一款專為高速控制器局域網（CAN）應用設計的核心系統基礎芯片，它能替代電子控制單元（ECU）中常見的基本分立組件。該芯片支持以高速 CAN 作為主要網絡接口的網絡應用，可用于控制電源和傳感器外設。其內部集成了高速 CAN 收發器、先進獨立看門狗（UJA1076A/xx/WD 版本）、兩個電壓調節器、串行外設接口（SPI）等多種設備，同時還具備先進的低功耗概念、安全可控的系統啟動行為以及詳細的系統和子系統狀態報告等功能。

從應用角度來看，UJA1076A 適用于眾多需要高速 CAN 通信的場景，如汽車電子中的各種控制單元、工業自動化中的設備聯網等。大家在實際項目中，是否也遇到過需要類似功能芯片的場景呢？

二、特性與優勢

（一）通用特性

UJA1076A 集成了全套 CAN ECU 功能，包括 CAN 收發器、可為微控制器和外圍電路提供高達 250 mA 電流的可擴展 3.3 V 或 5 V 電壓調節器，以及為 CAN 收發器單獨供電的 5 V 電壓調節器。同時，它還具備帶窗口和超時模式以及片內振蕩器的看門狗、用于與微控制器通信的串行外設接口（SPI）等。

該芯片專為汽車應用設計，具有增強的電磁兼容性（EMC）性能，在 CAN 總線引腳和喚醒引腳上提供 ±8 kV 的人體模型（HBM）靜電放電（ESD）保護和 ±6 kV 的 IEC 61000 - 4 - 2 靜電放電保護，CAN 總線引腳還具備 ±58 V 的短路保護功能，電池和 CAN 總線引腳也能根據 ISO 7637 - 3 標準防止瞬態干擾。此外，它支持通過 CAN 總線進行遠程閃存編程，采用 6.1 mm × 11 mm 的 HTSSOP32 小型封裝，具有低熱阻、無鉛、符合有害物質限制指令（RoHS）和深綠標準等優點。

（二）CAN 收發器

UJA1076A 的 CAN 收發器符合 ISO 11898 - 2 和 ISO 11898 - 5 標準，采用專用的低壓差電壓調節器為 CAN 總線供電，獨立于微控制器電源，顯著提高了 EMC 性能。在電源關閉時，總線連接真正處于浮動狀態，同時還設有 SPLIT 輸出引腳，可用于穩定隱性總線電平。

（三）電源管理

UJA1076A 支持通過 CAN 或本地喚醒引腳喚醒，并能檢測喚醒源。它有兩個喚醒引腳（WAKE1 和 WAKE2），可通過關閉這兩個引腳來減少電流流動。同時，還設有輸出信號（WBIAS）用于偏置喚醒引腳，采樣時間可選 16 ms 或 64 ms。該芯片具備低待機電流和全喚醒能力的待機模式，以及低睡眠電流和全喚醒能力的睡眠模式。

（四）控制與診斷特性

UJA1076A 在各種條件下都能保證安全和可預測的行為，擁有可編程的獨立時鐘源看門狗，支持窗口、超時（可選循環喚醒）和關閉模式，并在中斷時自動重新啟用。它還配備 16 位串行外設接口（SPI）用于配置、控制和診斷，設有全局使能輸出用于控制安全關鍵硬件，以及跛行回家輸出（LIMP）用于在系統嚴重故障時激活特定的“跛行回家”硬件。此外，芯片具備過溫關機功能、中斷輸出引腳和雙向復位引腳，可支持多種微控制器，并能通過軟件發起系統復位。

（五）電壓調節器

1. 主電壓調節器 V1：V1 是為微控制器、其外設和額外的外部收發器供電的可擴展電壓調節器，有 ±2 % 的精度，提供 3.3 V 和 5 V 兩種版本，最大可輸出 250 mA 電流。通過與外部 PNP 晶體管結合使用，可更好地實現 PCB 上的熱量分布，還能選擇外部 PNP 晶體管開始提供電流的閾值。當輸出電壓降至標稱值的 90 % 時，會發出欠壓警告，降至 90 % 或 70 % 時會觸發欠壓復位。該調節器可在低至 4.5 V 的 $V_{BAT}$ 電壓下工作，且在各種條件下都能保持穩定輸出。
2. CAN 收發器電壓調節器 V2：V2 是為片內高速 CAN 收發器供電的專用電壓調節器，當輸出電壓降至標稱值的 90 % 時會發出欠壓警告。它可以關閉，此時 CAN 收發器可由 V1 或外部電壓調節器供電，能在低至 5.5 V 的 $V_{BAT}$ 電壓下工作，同樣在各種條件下輸出穩定。

三、訂購信息

UJA1076A 有多種型號可供選擇，如 UJA1076ATW/5V0/WD、UJA1076ATW/3V3/WD 等。其中，UJA1076ATW/5V0xx 版本包含 5 V 調節器（V1），UJA1076ATW/3V3xx 版本包含 3.3 V 調節器（V1），帶有 WD 的版本則包含看門狗。

四、功能描述

（一）系統控制器

UJA1076A 的系統控制器負責管理寄存器配置和控制內部功能，收集詳細的設備狀態信息并提供給微控制器，同時還提供復位和中斷信號。它是一個狀態機，芯片具有多種工作模式，包括關閉模式、待機模式、正常模式、睡眠模式和過溫模式。

1. 關閉模式：當電池供電電壓降至斷電檢測閾值（$(V{th(det)poff })$）以下時，芯片會從其他模式切換到關閉模式。在此模式下，電壓調節器禁用，總線系統處于高阻狀態，CAN 總線引腳浮動。當電池供電電壓升至通電檢測閾值（$(V{th(det)pon })$）以上時，芯片進入待機模式并執行系統復位。
2. 待機模式：芯片可從關閉模式、睡眠模式、過溫模式或正常模式進入待機模式。在待機模式下，V1 開啟，CAN 收發器可處于低功耗狀態或完全關閉，看門狗可運行在超時模式或關閉模式。當滿足特定條件時，芯片會退出待機模式。
3. 正常模式：通過設置模式控制寄存器（Table 5）中的 MC 位為 10（V2 禁用）或 11（V2 啟用），可從待機模式進入正常模式。在正常模式下，CAN 物理層啟用或處于低功耗狀態，當滿足某些條件時，芯片會退出正常模式。
4. 睡眠模式：通過設置模式控制寄存器中的 MC 位為 01，可從待機模式或正常模式進入睡眠模式，但需滿足無掛起中斷、無喚醒事件且至少有一個喚醒源啟用的條件。在睡眠模式下，V1 和 V2 關閉，CAN 收發器關閉或處于低功耗狀態，看門狗關閉，復位引腳為低電平。CAN 或本地喚醒事件會使芯片切換到待機模式并產生系統復位。
5. 過溫模式：當芯片溫度超過過溫保護激活閾值（$T{th(act)otp }$）時，芯片從正常模式或待機模式進入過溫模式。在此模式下，電壓調節器關閉，總線系統處于高阻狀態，RSTN 引腳為低電平，跛行回家功能激活。當溫度降至過溫保護釋放閾值（$T{th(rel)otp }$）以下時，芯片進入待機模式并產生系統復位。

（二）SPI

UJA1076A 的串行外設接口（SPI）支持全雙工數據傳輸，用于與微控制器通信。它使用四個接口信號進行同步和數據傳輸，位采樣在時鐘下降沿進行，數據在時鐘上升沿移位。SPI 的消息頭前三位（A2, A1 和 A0）定義寄存器地址，第四位（RO）定義所選寄存器為讀寫或只讀。

（三）看門狗（UJA1076A/xx/WD 版本）

該芯片支持窗口、超時和關閉三種看門狗模式，看門狗周期可通過 WD_and_Status 寄存器中的 NWP 控制位進行編程，默認周期為 128 ms。在不同模式下，看門狗的行為有所不同，某些看門狗事件會導致系統立即復位。通過強制 WDOFF 引腳為高電平或在待機模式下設置 WMC 位為 1，可完全關閉看門狗。

（四）系統復位

多種事件會導致 UJA1076A 執行系統復位，如 V1 欠壓、外部復位、看門狗溢出等。芯片提供 RSTN 引腳、EN 引腳和 LIMP 引腳用于處理復位事件。

（五）電源供應

1. 電池引腳（BAT）：芯片只有一個電源引腳 BAT，需串聯外部二極管以防止負電壓。其工作范圍為 4.5 V 至 28 V，最大可承受 40 V 電壓。當 BAT 引腳電壓降至斷電檢測閾值以下時，芯片進入關閉模式；當電壓升至通電檢測閾值以上時，芯片進入待機模式。
2. 電壓調節器 V1：V1 由 BAT 引腳供電，可為微控制器、其外設和額外的收發器提供 3.3 V 或 5 V、最大 250 mA 的電流。為防止設備過熱，可連接外部 PNP 晶體管，通過 Mode_Control 寄存器中的 PDC 位調節功率耗散分布。同時，需在 V1 和 VEXCC 引腳之間連接電阻進行短路保護，選擇合適的電阻值時需考慮晶體管的熱性能。
3. 電壓調節器 V2：V2 專為高速 CAN 收發器提供 5 V 電源，可通過 Mode_Control 寄存器中的 MC 位激活和停用。當輸出電壓降至標稱值的 90 % 以下時，會產生欠壓警告。

（六）CAN 收發器

UJA1076A 的 CAN 收發器模擬部分與 TJA1042/TJA1043 集成的部分相同，適用于汽車行業的高速（高達 1 Mbit/s）CAN 應用，具備差分發送和接收能力。

1. CAN 工作模式：包括主動模式和低功耗/關閉模式。在主動模式下，收發器可通過 CANH 和 CANL 引腳發送和接收數據；在低功耗模式下，可通過 CANH 和 CANL 引腳遠程喚醒，關閉模式下則完全斷電以降低靜態電流消耗。
2. Split 電路：SPLIT 引腳在 CAN 主動模式下提供 0.5V $0.5 ~V_{V 2}$ 的直流穩定電壓，可用于穩定隱性共模電壓。
3. 故障安全特性：具備 TXDC 顯性超時功能和 TXDC 引腳內部上拉電阻，可防止硬件和/或軟件應用故障導致總線線路處于永久顯性狀態。

（七）本地喚醒輸入

芯片設有兩個本地喚醒引腳（WAKE1 和 WAKE2），可通過 Int_Control 寄存器中的 WIC1 和 WIC2 位獨立配置喚醒引腳的邊緣靈敏度，也可禁用喚醒功能。喚醒引腳的采樣可與 WBIAS 信號同步，采樣時間通過 Mode_Control 寄存器中的 WBC 位選擇。

（八）中斷輸出

INTN 引腳是一個低電平有效、開漏輸出的中斷引腳，當至少有一個中斷掛起時，該引腳為低電平。通過向 Int_Status 寄存器中的相應位寫入 1，可清除中斷。在包含看門狗的設備中，當看門狗在待機模式或正常模式下切換到超時模式時，會啟用循環中斷（CI）。

（九）溫度保護

在正常模式和待機模式下，芯片會監測溫度。當溫度過高時，芯片進入過溫模式，此時 RSTN 引腳為低電平，跛行回家功能激活，電壓調節器和 CAN 發送器關閉。當溫度降至溫度關機閾值以下時，芯片進入待機模式，溫度關機閾值在 165 °C 至 200 °C 之間。

五、其他信息

（一）限制值

文檔給出了 UJA1076A 各引腳的電壓、電流、靜電放電電壓等限制值，應力超過這些限制值會對設備造成永久性損壞。

（二）熱特性

介紹了測量熱阻 $R_{th(j - a)}$ 的布局條件，以及不同 PCB 類型下的熱阻情況。

（三）靜態特性

詳細列出了芯片在不同條件下的靜態參數，如電源電壓、電流、電壓變化、閾值電流等。

（四）動態特性

給出了芯片在電壓源、SPI 接口、復位輸出、看門狗、CAN 收發器等方面的動態參數，如檢測延遲時間、時鐘周期時間、脈沖寬度等。

（五）測試信息

該產品已通過汽車電子委員會（AEC）標準 Q100 的認證，適用于汽車應用。

（六）封裝外形

UJA1076A 采用 HTSSOP32 封裝，文檔提供了封裝的詳細尺寸信息。

（七）SMD 封裝焊接

介紹了焊接 IC 到 PCB 的常見方法，包括波峰焊和回流焊的特點、適用范圍以及關鍵特性，并給出了不同封裝厚度和體積下的回流溫度要求。

（八）修訂歷史

記錄了文檔的修訂情況，包括版本號、發布日期、數據手冊狀態、更改通知和替代版本等信息。

（九）法律信息

包含數據手冊狀態、定義、免責聲明、商標、聯系信息等內容，提醒用戶注意相關法律事項。

綜上所述，UJA1076A 是一款功能強大、性能可靠的高速 CAN 核心系統基礎芯片，在汽車電子等領域具有廣泛的應用前景。在實際設計應用中，工程師們需要根據具體需求，合理配置芯片的各項功能和參數，以充分發揮其優勢。同時，在焊接和使用過程中，也要嚴格遵循相關的規范和要求，確保芯片的正常運行。大家在使用 UJA1076A 時，有沒有遇到過什么特別的問題或挑戰呢？歡迎在評論區分享交流。