MCP2551高速CAN收發(fā)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在CAN總線通信領(lǐng)域，收發(fā)器扮演著至關(guān)重要的角色，它是CAN協(xié)議控制器與物理總線之間的橋梁。今天我們要深入探討的是Microchip公司的MCP2551高速CAN收發(fā)器，盡管它已不推薦用于新設(shè)計(jì)（建議使用MCP2561），但了解它的特性和工作原理，對(duì)于電子工程師來說仍具有很大的價(jià)值。

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一、MCP2551概述

MCP2551是一款高速CAN、容錯(cuò)設(shè)備，完全兼容ISO - 11898標(biāo)準(zhǔn)，包括24V要求，能支持高達(dá)1 Mb/s的通信速率。它為CAN協(xié)議控制器提供差分發(fā)送和接收能力，將CAN控制器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在總線電纜上傳輸?shù)牟罘?a target="_blank">信號(hào)，同時(shí)還能在CAN控制器和CAN總線上可能出現(xiàn)的高壓尖峰之間提供緩沖，有效抵御EMI、ESD和電氣瞬變等外部干擾。

二、功能特性

（一）收發(fā)功能

1. 發(fā)送器功能：CAN總線有顯性（Dominant）和隱性（Recessive）兩種狀態(tài)。當(dāng)CANH和CANL之間的差分電壓大于定義電壓（如1.2V）時(shí)為顯性狀態(tài)，對(duì)應(yīng)TXD輸入引腳的低電平；當(dāng)差分電壓小于定義電壓（通常為0V）時(shí)為隱性狀態(tài)，對(duì)應(yīng)TXD輸入引腳的高電平。不過，其他CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)起的顯性狀態(tài)會(huì)覆蓋總線上的隱性狀態(tài)。MCP2551的CAN輸出能驅(qū)動(dòng)最小45Ω的負(fù)載，最多允許連接112個(gè)節(jié)點(diǎn)（前提是最小差分輸入電阻為20 kΩ，標(biāo)稱終端電阻值為120Ω）。
2. 接收器功能：RXD輸出引腳反映CANH和CANL之間的差分總線電壓。RXD輸出引腳的低電平和高電平分別對(duì)應(yīng)CAN總線的顯性和隱性狀態(tài)。

（二）內(nèi)部保護(hù)

CANH和CANL受到保護(hù)，可防止電池短路和CAN總線上可能出現(xiàn)的電氣瞬變。當(dāng)出現(xiàn)此類故障時(shí)，該特性可避免發(fā)送器輸出級(jí)被破壞。此外，熱關(guān)斷電路可防止設(shè)備因過流而損壞。當(dāng)結(jié)溫超過標(biāo)稱極限165°C時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器將被禁用，而芯片的其他部分仍可正常工作，由于發(fā)送器輸出的功耗降低，芯片溫度也會(huì)隨之下降，這對(duì)于保護(hù)總線線路短路引起的損壞至關(guān)重要。

（三）工作模式

通過RS引腳可以選擇三種工作模式：高速（High - Speed）、斜率控制（Slope - Control）和待機(jī)（Standby）。

1. 高速模式：將RS引腳連接到VSS可選擇高速模式。在這種模式下，發(fā)送器輸出驅(qū)動(dòng)器具有快速的輸出上升和下降時(shí)間，以支持高速CAN總線速率。
2. 斜率控制模式：通過在RS和VOL（通常為地）之間連接一個(gè)外部電阻（REXT）來控制CANH和CANL的上升和下降時(shí)間，從而進(jìn)一步降低EMI。斜率與RS引腳的電流輸出成正比，通過選擇特定的電阻值可以實(shí)現(xiàn)特定的轉(zhuǎn)換速率。
3. 待機(jī)模式：將RS引腳置為高電平可使設(shè)備進(jìn)入待機(jī)或睡眠模式。在睡眠模式下，發(fā)送器關(guān)閉，接收器以較低的電流運(yùn)行。控制器側(cè)的接收引腳（RXD）仍然可用，但速率較慢。連接的微控制器可以監(jiān)視RXD以檢測(cè)CAN總線活動(dòng)，并通過RS引腳將收發(fā)器置于正常運(yùn)行狀態(tài)（在較高的總線速率下，可能會(huì)丟失第一條CAN消息）。

（四）其他特性

1. TXD永久顯性檢測(cè)：如果MCP2551檢測(cè)到TXD輸入上的持續(xù)低電平狀態(tài)，它將禁用CANH和CANL輸出驅(qū)動(dòng)器，以防止CAN總線上的數(shù)據(jù)損壞。只要TXD保持低電平，驅(qū)動(dòng)器就會(huì)一直禁用。TXD上的上升沿將重置定時(shí)器邏輯并啟用CANH和CANL輸出驅(qū)動(dòng)器。
2. 上電復(fù)位：設(shè)備上電時(shí)，CANH和CANL在VDD達(dá)到電壓電平VPORH之前保持高阻抗?fàn)顟B(tài)。如果在VDD達(dá)到VPORH時(shí)TXD為低電平，CANH和CANL也將保持高阻抗?fàn)顟B(tài)，只有在TXD被置為高電平后，CANH和CANL才會(huì)變?yōu)橛行АＴ谡＿\(yùn)行期間，如果VDD的電壓電平低于VPORL，CANH和CANL將進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，提供電壓欠壓保護(hù)。

三、電氣特性

（一）術(shù)語定義

文檔中對(duì)一些用于描述CAN收發(fā)器電氣特性的術(shù)語進(jìn)行了定義，如總線電壓（VCANL和VCANH）、共模總線電壓范圍、差分內(nèi)部電容（CDIFF）、差分內(nèi)部電阻（RDIFF）、差分電壓（VDIFF）、內(nèi)部電容（CIN）和內(nèi)部電阻（RIN）等。

（二）直流特性

詳細(xì)列出了不同工作條件下的直流參數(shù)，包括電源電流、總線線路的發(fā)送和接收特性、TXD輸入和RXD輸出的電氣特性等。例如，在待機(jī)模式下，不同溫度范圍的電源電流有所不同；CANH和CANL在隱性和顯性狀態(tài)下的輸出電壓和電流也有明確的規(guī)定。

（三）交流特性

交流特性參數(shù)包括位時(shí)間、位頻率、延遲時(shí)間、轉(zhuǎn)換速率、喚醒時(shí)間等。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估MCP2551在高速通信中的性能至關(guān)重要。例如，CANH和CANL的轉(zhuǎn)換速率在5.5 - 8.5 V/μs之間（RS = 47 kΩ），從待機(jī)模式喚醒的時(shí)間為5 μs。

四、引腳描述

五、封裝信息

MCP2551提供PDIP和SOIC兩種封裝類型。文檔中詳細(xì)給出了這兩種封裝的尺寸和標(biāo)記信息，同時(shí)還提供了相關(guān)的圖紙和尺寸公差要求。對(duì)于工程師來說，準(zhǔn)確了解封裝信息對(duì)于PCB設(shè)計(jì)和器件布局非常重要。

六、總結(jié)與思考

MCP2551作為一款經(jīng)典的高速CAN收發(fā)器，具有豐富的功能和良好的電氣性能，在CAN總線通信中發(fā)揮了重要作用。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新的器件可能在性能和功能上更具優(yōu)勢(shì)，這也是它不再推薦用于新設(shè)計(jì)的原因。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求、成本和性能要求來選擇合適的CAN收發(fā)器。同時(shí)，對(duì)于MCP2551的特性和工作原理的深入理解，也有助于我們更好地應(yīng)對(duì)其他類似器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用挑戰(zhàn)。大家在使用CAN收發(fā)器時(shí)，是否也遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。