TJA1043：高性能高速CAN收發(fā)器詳解

在汽車行業(yè)的高速CAN應(yīng)用中，選擇一款合適的收發(fā)器至關(guān)重要。NXP Semiconductors推出的TJA1043高速CAN收發(fā)器，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多工程師的理想之選。今天，我們就來深入剖析TJA1043，探討它的特性、工作模式以及應(yīng)用場(chǎng)景。

文件下載：TJA1043T,118.pdf

一、產(chǎn)品概述

TJA1043是一款能夠在CAN協(xié)議控制器和物理雙線CAN總線之間提供接口的高速CAN收發(fā)器。它專為汽車行業(yè)的高速CAN應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具備差分發(fā)射和接收能力，可與帶有CAN協(xié)議控制器的微控制器無縫連接。作為NXP第三代高速CAN收發(fā)器，TJA1043相較于前兩代產(chǎn)品（如TJA1041A）有了顯著的改進(jìn)，在電磁兼容性（EMC）、靜電放電（ESD）性能、低功耗以及電源關(guān)閉時(shí)的被動(dòng)特性等方面表現(xiàn)出色。它還實(shí)現(xiàn)了ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5定義的CAN物理層，能夠在CAN FD快速階段實(shí)現(xiàn)高達(dá)5 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率的可靠通信。

二、特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 通用特性

• 標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性：符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5標(biāo)準(zhǔn)，為可靠通信提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
• 高速通信：循環(huán)延遲對(duì)稱時(shí)序使得CAN FD快速階段在高達(dá)5 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率下仍能實(shí)現(xiàn)可靠通信。
• 多系統(tǒng)適配：適用于12 V和24 V系統(tǒng)，具有廣泛的適用性。
• 低電磁干擾與高抗擾性：低電磁發(fā)射（EME）和高電磁抗擾性（EMI），確保在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作。$V_{10}$輸入允許直接與3 V和5 V微控制器接口，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 總線電平穩(wěn)定：SPLIT電壓輸出有助于穩(wěn)定隱性總線電平，提高通信質(zhì)量。
• 診斷與故障抑制：具備監(jiān)聽模式，可用于節(jié)點(diǎn)診斷和故障抑制。
• 多種封裝可選：提供SO14和HVSON14兩種封裝形式，其中HVSON14無引腳封裝（3.0 mm × 4.5 mm）具有更好的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）能力。
• 質(zhì)量認(rèn)證：通過AEC - Q100認(rèn)證，且為環(huán)保型產(chǎn)品（無鹵且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)）。

2.2 低功耗管理

• 極低電流模式：具有極低電流的待機(jī)和睡眠模式，并支持本地和遠(yuǎn)程喚醒功能，能夠在不影響系統(tǒng)功能的前提下大幅降低功耗。
• 喚醒源識(shí)別：可以準(zhǔn)確識(shí)別喚醒源，便于系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的喚醒操作和資源分配。
• 零負(fù)載脫離：當(dāng)$V_{BAT}$缺失時(shí)，收發(fā)器與總線脫離（零負(fù)載），避免對(duì)總線造成不必要的影響。
• 可靠供電行為：在所有供電條件下都具有可預(yù)測(cè)的功能行為，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 保護(hù)與診斷功能

• 高ESD處理能力：總線引腳具有高ESD處理能力，有效保護(hù)芯片免受靜電沖擊的損害。
• 瞬態(tài)保護(hù)：總線引腳和$V_{BAT}$受到保護(hù)，可抵御汽車環(huán)境中的瞬態(tài)干擾。
• 故障檢測(cè)與診斷：具備多種保護(hù)和診斷功能，如TXD顯性超時(shí)功能、TXD - RXD短路處理、熱保護(hù)、欠壓檢測(cè)和恢復(fù)、總線線路短路診斷、總線顯性鉗位診斷以及冷啟動(dòng)診斷等，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障。

三、快速參考數(shù)據(jù)

這些數(shù)據(jù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)，確保芯片在合適的工作條件下運(yùn)行。

四、工作模式

TJA1043支持五種工作模式，通過控制引腳STB_N和EN來選擇不同的模式，并且可以通過引腳ERR_N訪問一些診斷標(biāo)志。下面我們來詳細(xì)了解一下這五種模式。

4.1 正常模式

在正常模式下，收發(fā)器可以通過總線線路CANH和CANL進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。差分接收器將總線上的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并輸出到引腳RXD。總線線路上輸出信號(hào)的斜率由內(nèi)部進(jìn)行控制和優(yōu)化，以確保最低的電磁發(fā)射。總線引腳通過電阻$Ri$偏置到$0.5V{CC}$，引腳INH處于激活狀態(tài)，由該引腳控制的電壓調(diào)節(jié)器也會(huì)隨之激活。

4.2 監(jiān)聽模式

監(jiān)聽模式下，收發(fā)器的發(fā)射器被禁用，僅具備監(jiān)聽功能。接收器仍然可以將CANH和CANL引腳上的模擬總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并在引腳RXD上輸出。與正常模式相同，總線引腳偏置在$0.5V_{CC}$，引腳INH保持激活狀態(tài)。這種模式適用于需要對(duì)總線數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控但不參與數(shù)據(jù)發(fā)送的場(chǎng)景。

4.3 待機(jī)模式

待機(jī)模式是TJA1043的一級(jí)節(jié)能模式，能夠降低電流消耗。在該模式下，收發(fā)器無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，但會(huì)激活低功耗接收器來監(jiān)控總線活動(dòng)。總線引腳通過電阻$R_i$偏置到地電平，引腳INH仍然處于激活狀態(tài)，由其控制的電壓調(diào)節(jié)器也保持激活。引腳RXD和ERRN會(huì)反映任何有效的喚醒請(qǐng)求（前提是$V{10}$和$V_{BAT}$存在）。

4.4 進(jìn)入睡眠模式

進(jìn)入睡眠模式是進(jìn)入睡眠模式的受控路徑。在該模式下，收發(fā)器的行為與待機(jī)模式相似，但會(huì)向收發(fā)器發(fā)出進(jìn)入睡眠的命令。收發(fā)器將在最短保持時(shí)間$t{h(min)}$后進(jìn)入睡眠模式。如果在$t{h(min)}$過去之前，引腳STB_N或引腳EN的狀態(tài)發(fā)生改變，或者Wake標(biāo)志被設(shè)置，收發(fā)器將不會(huì)進(jìn)入睡眠模式。

4.5 睡眠模式

睡眠模式是TJA1043的二級(jí)節(jié)能模式。可以通過進(jìn)入睡眠模式進(jìn)入，也可以在$V{CC}$或$V{10}$的欠壓檢測(cè)時(shí)間過去且相關(guān)電壓水平未恢復(fù)時(shí)進(jìn)入。在睡眠模式下，收發(fā)器的行為與待機(jī)模式類似，但引腳INH會(huì)被設(shè)置為浮空狀態(tài)，由該引腳控制的電壓調(diào)節(jié)器將被關(guān)閉，流入引腳$V_{BAT}$的電流將降至最低。引腳STB_N、EN和Wake標(biāo)志可用于從睡眠模式喚醒節(jié)點(diǎn)。

五、內(nèi)部標(biāo)志

TJA1043使用了七個(gè)內(nèi)部標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)回退模式控制和系統(tǒng)診斷支持。其中五個(gè)標(biāo)志可以通過引腳ERR_N由控制器進(jìn)行輪詢，具體哪個(gè)標(biāo)志在引腳ERR_N上可用取決于當(dāng)前的工作模式和其他一些條件。下面我們來了解一下這些內(nèi)部標(biāo)志的作用。

5.1 $UV _{NOM }$標(biāo)志

$UV {NOM }$是$V{CC}$和$V{IO}$欠壓檢測(cè)標(biāo)志。當(dāng)引腳$V{CC}$上的電壓低于$V{CC}$欠壓檢測(cè)電壓$V{uvd(VCC)}$的時(shí)間超過欠壓檢測(cè)時(shí)間$t{det(uv)}$，或者引腳$V{IO}$上的電壓低于$V{uvd(VIO)}$的時(shí)間超過$t{det(uv)}$時(shí)，該標(biāo)志會(huì)被設(shè)置。當(dāng)$UV _{NOM }$標(biāo)志被設(shè)置時(shí)，收發(fā)器會(huì)進(jìn)入睡眠模式以節(jié)省功率，并確保總線不受干擾。在睡眠模式下，連接到引腳INH的電壓調(diào)節(jié)器會(huì)被禁用，避免因短路情況而產(chǎn)生額外的功耗。任何喚醒請(qǐng)求、設(shè)置Pwon標(biāo)志或引腳STBN上的低到高的轉(zhuǎn)換都會(huì)清除$UV{NOM}$和計(jì)時(shí)器，允許電壓調(diào)節(jié)器重新激活（至少直到$UV {NOM }$再次被設(shè)置）。如果$V{CC}$和$V{IO}$都恢復(fù)了超過欠壓恢復(fù)時(shí)間$t{rec(uv)}$，$UV_{NOM}$也會(huì)被清除，收發(fā)器將切換到由引腳STB_N和EN上的邏輯電平指示的工作模式。

5.2 $UV_{BAT}$標(biāo)志

$UV {BAT }$是$V{BAT}$欠壓檢測(cè)標(biāo)志。當(dāng)引腳$V{BAT}$上的電壓低于$V{UVd(VBAT)}$時(shí)，該標(biāo)志會(huì)被設(shè)置。當(dāng)$UV{BAT}$被設(shè)置時(shí)，收發(fā)器會(huì)嘗試進(jìn)入待機(jī)模式以節(jié)省功率，并與總線脫離（零負(fù)載）。當(dāng)引腳$V{BAT}$上的電壓恢復(fù)時(shí)，$UV_{BAT}$會(huì)被清除，收發(fā)器將切換到由引腳STB_N和EN上的邏輯電平指示的工作模式。

5.3 Pwon標(biāo)志

Pwon是$V{BAT}$上電標(biāo)志。當(dāng)引腳$V{BAT}$上的電壓在之前低于$V{uvd(VBAT)}$（通常是因?yàn)殡姵財(cái)嚅_連接）后恢復(fù)時(shí)，該標(biāo)志會(huì)被設(shè)置。設(shè)置Pwon標(biāo)志會(huì)清除$UV {NOM }$標(biāo)志和計(jì)時(shí)器，并設(shè)置Wake和Wake - up source標(biāo)志，以確保在所有供電條件下系統(tǒng)上電的一致性。在監(jiān)聽模式下，Pwon標(biāo)志可以通過引腳ERR_N進(jìn)行輪詢，當(dāng)收發(fā)器進(jìn)入正常模式時(shí)，該標(biāo)志會(huì)被清除。

5.4 Wake標(biāo)志

Wake標(biāo)志在收發(fā)器檢測(cè)到本地或遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求時(shí)被設(shè)置。當(dāng)引腳WAKE上的邏輯電平發(fā)生變化，并且新的電平保持穩(wěn)定至少$t{wake}$時(shí)，會(huì)檢測(cè)到本地喚醒請(qǐng)求。Wake標(biāo)志可以在待機(jī)模式、進(jìn)入睡眠模式或睡眠模式下設(shè)置。設(shè)置Wake標(biāo)志會(huì)清除$UV{NOM}$標(biāo)志和計(jì)時(shí)器。一旦設(shè)置，Wake標(biāo)志的狀態(tài)會(huì)立即在引腳ERRN和RXD上可用（前提是$V{IO}$和$V{BAT}$存在）。該標(biāo)志在電源開啟時(shí)也會(huì)被設(shè)置，并在$UV{NOM}$標(biāo)志被設(shè)置或收發(fā)器進(jìn)入正常模式時(shí)被清除。

5.5 遠(yuǎn)程喚醒（通過CAN總線）

當(dāng)在總線上檢測(cè)到專用的喚醒模式（在ISO 11898 - 2: 2016中規(guī)定）時(shí)，TJA1043會(huì)從待機(jī)或睡眠模式中喚醒。這種過濾機(jī)制有助于避免誤喚醒事件，例如由顯性鉗位總線、噪聲或總線上的尖峰引起的顯性階段。喚醒模式由至少$t{wake(busdom)}$的顯性階段、至少$t{wake(busrec)}$的隱性階段和至少$t{wake(busdom)}$的顯性階段組成。在上述階段之間，短于$t{wake(busdom)}$和$t{wake(busrec)}$的顯性或隱性位將被忽略。完整的顯性 - 隱性 - 顯性模式必須在$t{o(wake)bus}$內(nèi)接收，才能被識(shí)別為有效的喚醒模式，否則內(nèi)部喚醒邏輯將被重置，需要重新發(fā)送完整的喚醒模式才能觸發(fā)喚醒事件。在喚醒事件觸發(fā)之前，引腳RXD將保持高電平。如果在接收有效喚醒模式時(shí)發(fā)生以下任何事件，則不會(huì)在RXD上標(biāo)記喚醒事件：TJA1043切換到正常模式；完整的喚醒模式未在$t{o(wake)bus}$內(nèi)接收；檢測(cè)到$V{CC}$或$V{IO}$欠壓（$UV {NOM }$標(biāo)志設(shè)置）。

5.6 Wake - up source標(biāo)志

Wake - up source標(biāo)志用于識(shí)別喚醒源。當(dāng)通過引腳WAKE的本地喚醒請(qǐng)求設(shè)置Wake標(biāo)志時(shí)，該標(biāo)志會(huì)被設(shè)置。在正常模式下，可以通過引腳ERR_N對(duì)Wake - up source標(biāo)志進(jìn)行輪詢。該標(biāo)志在電源開啟時(shí)也會(huì)被設(shè)置，并在收發(fā)器離開正常模式時(shí)被清除。

5.7 Bus failure標(biāo)志

如果收發(fā)器在嘗試驅(qū)動(dòng)總線線路為顯性時(shí)，在引腳TXD上的四個(gè)連續(xù)顯性 - 隱性周期內(nèi)檢測(cè)到總線線路與$V{BAT}$、$V{CC}$或GND短路的情況，Bus failure標(biāo)志會(huì)被設(shè)置。在正常模式下，可以通過引腳ERR_N對(duì)該標(biāo)志進(jìn)行輪詢。該標(biāo)志在電源開啟時(shí)或收發(fā)器重新進(jìn)入正常模式時(shí)會(huì)被清除。

5.8 Local failure標(biāo)志

在正常和監(jiān)聽模式下，收發(fā)器可以區(qū)分四種不同的本地故障事件，任何一種事件都會(huì)導(dǎo)致Local failure標(biāo)志被設(shè)置。這四種本地故障事件分別是：TXD顯性鉗位、TXD - RXD短路、總線顯性鉗位和過溫事件。在監(jiān)聽模式下，可以通過引腳ERR_N對(duì)Local failure標(biāo)志進(jìn)行輪詢。該標(biāo)志在電源開啟時(shí)、進(jìn)入正常模式時(shí)或當(dāng)RXD為顯性而TXD為隱性（前提是所有本地故障已解決）或設(shè)置Pwon標(biāo)志時(shí)會(huì)被清除。

六、本地故障檢測(cè)

TJA1043能夠檢測(cè)四種不同的本地故障條件，任何一種故障都會(huì)設(shè)置Local failure標(biāo)志，并且在大多數(shù)情況下會(huì)禁用收發(fā)器的發(fā)射器。

6.1 TXD顯性超時(shí)功能

如果引腳TXD上出現(xiàn)永久低電平（由于硬件或軟件應(yīng)用故障），會(huì)導(dǎo)致CAN總線進(jìn)入永久顯性狀態(tài)，從而阻塞所有網(wǎng)絡(luò)通信。TXD顯性超時(shí)功能通過在引腳TXD保持低電平的時(shí)間超過TXD顯性超時(shí)時(shí)間$t{o(dom)TXD}$時(shí)禁用發(fā)射器，防止網(wǎng)絡(luò)鎖定。$t{o(dom)TXD}$計(jì)時(shí)器定義了最小可能的比特率為40 kbit/s。發(fā)射器將保持禁用狀態(tài)，直到Local failure標(biāo)志被清除。

6.2 TXD - RXD短路檢測(cè)

引腳RXD和TXD之間的短路會(huì)在總線被驅(qū)動(dòng)為顯性后將總線鎖定在永久顯性狀態(tài)，因?yàn)镽XD的低端驅(qū)動(dòng)器通常比連接到TXD的控制器的高端驅(qū)動(dòng)器更強(qiáng)。TXD - RXD短路檢測(cè)通過禁用發(fā)射器來防止這種網(wǎng)絡(luò)鎖定。發(fā)射器將保持禁用狀態(tài)，直到Local failure標(biāo)志被清除。

6.3 總線顯性超時(shí)功能

CAN總線短路（到$V{BAT}$、$V{CC}$或GND）或其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的故障可能導(dǎo)致總線上的差分電壓足夠高，以表示總線顯性狀態(tài)。由于節(jié)點(diǎn)在總線為顯性時(shí)不會(huì)開始傳輸，正常的總線故障檢測(cè)無法檢測(cè)到這種故障，但總線顯性鉗位檢測(cè)可以。如果總線上的顯性狀態(tài)持續(xù)時(shí)間超過$t_{o(dom)bus}$，Local failure標(biāo)志會(huì)被設(shè)置。通過檢查該標(biāo)志，控制器可以確定鉗位總線是否阻塞了網(wǎng)絡(luò)通信。不需要禁用發(fā)射器。需要注意的是，Local failure標(biāo)志不會(huì)保留總線顯性鉗位故障，一旦總線恢復(fù)到隱性狀態(tài)，該標(biāo)志就會(huì)被釋放。

6.4 過溫檢測(cè)

如果結(jié)溫過高，發(fā)射器會(huì)及時(shí)關(guān)閉，以保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)器免受過熱影響，同時(shí)不會(huì)影響最大工作溫度。發(fā)射器將保持禁用狀態(tài)，直到Local failure標(biāo)志被清除。

七、其他重要引腳功能

7.1 SPLIT引腳

在TJA1043中使用SPLIT引腳并結(jié)合分裂終端網(wǎng)絡(luò)，可以幫助穩(wěn)定總線上的隱性電壓電平。這將減少具有接地直流泄漏的網(wǎng)絡(luò)（例如，來自總線泄漏性能較差的停用節(jié)點(diǎn)）中的電磁發(fā)射。在正常和監(jiān)聽模式下，引腳SPLIT提供0.5$V_{CC}$的直流輸出電壓。在待機(jī)、進(jìn)入睡眠和睡眠模式下，引腳SPLIT為浮空狀態(tài)。

7.2 $V_{10}$供電引腳

引腳$V_{IO}$應(yīng)連接到微控制器的電源電壓，這將使引腳TXD、RXD、STB_N、EN和ERR_N的信號(hào)電平調(diào)整到微控制器的I/O電平，從而便于直接接口，無需額外的膠合邏輯。

7.3 WAKE引腳

本地喚醒事件由引腳WAKE上的低到高或高到低的轉(zhuǎn)換觸發(fā)，這在設(shè)計(jì)本地喚醒電路時(shí)提供了最大的靈活性。為了最小化電流消耗，內(nèi)部偏置電壓將在延遲$t_{wake}$后跟隨引腳上的邏輯