探秘TJA1042高速CAN收發(fā)器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

在汽車電子領(lǐng)域，高速CAN（Controller Area Network）通信至關(guān)重要。NXP Semiconductors的TJA1042高速CAN收發(fā)器憑借其卓越性能，成為眾多汽車應(yīng)用的理想選擇。本文將深入剖析TJA1042的特性、功能及應(yīng)用，為電子工程師提供全面的設(shè)計(jì)參考。

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一、TJA1042概述

TJA1042作為第三代高速CAN收發(fā)器，為CAN協(xié)議控制器與物理雙線CAN總線之間搭建了高效接口。它專為汽車行業(yè)高速CAN應(yīng)用設(shè)計(jì)，具備差分收發(fā)能力，適用于連接帶有CAN協(xié)議控制器的微控制器。相比前代產(chǎn)品，TJA1042在電磁兼容性（EMC）和靜電放電（ESD）性能上有顯著提升。其特點(diǎn)包括：電源關(guān)閉時(shí)對CAN總線呈現(xiàn)理想的無源特性；低電流待機(jī)模式并支持總線喚醒功能；TJA1042T/3和TJA1042TK/3可直接與3V - 5V的微控制器接口。此外，它還符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5標(biāo)準(zhǔn)，能在CAN FD快速階段實(shí)現(xiàn)高達(dá)5 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率可靠通信。

二、特性與優(yōu)勢

2.1 通用特性

• 標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)：符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5標(biāo)準(zhǔn)，確保在高速CAN通信中的兼容性和可靠性。
• 高速通信：保證CAN FD快速階段數(shù)據(jù)速率高達(dá)5 Mbit/s的時(shí)序，滿足汽車電子對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/li>
• 多電壓系統(tǒng)適用：適用于12V和24V系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用范圍。
• 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），減少對周圍電子設(shè)備的干擾，同時(shí)提高自身的抗干擾能力。
• 靈活接口：TJA1042T/3和TJA1042TK/3的(V_{IO})輸入允許直接與3V - 5V微控制器接口，增強(qiáng)了與不同微控制器的兼容性。
• 穩(wěn)定輸出：TJA1042T的SPLIT電壓輸出有助于穩(wěn)定隱性總線電平，提高通信穩(wěn)定性。
• 環(huán)保封裝：提供SO8和無鉛HVSON8（3.0 mm × 3.0 mm）封裝，具有改進(jìn)的自動(dòng)光學(xué)檢測（AOI）能力，且為無鹵和符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保產(chǎn)品。
• 汽車級認(rèn)證：通過AEC - Q100認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用，保證了產(chǎn)品在汽車環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 可預(yù)測與故障安全特性

• 低電流待機(jī)模式：具備主機(jī)和總線喚醒能力的低電流待機(jī)模式，在不影響通信功能的前提下，有效降低功耗。
• 全工況可預(yù)測性：在所有電源條件下，功能行為可預(yù)測，確保系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 總線零負(fù)載：未上電時(shí)，收發(fā)器與總線斷開連接（零負(fù)載），避免對總線造成不必要的影響。
• 超時(shí)保護(hù)功能：具備發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）顯性超時(shí)功能和待機(jī)模式下的總線顯性超時(shí)功能，防止硬件或軟件故障導(dǎo)致總線持續(xù)處于顯性狀態(tài)，保障網(wǎng)絡(luò)通信的正常進(jìn)行。
• 欠壓檢測：對(V{CC})和(V{IO})引腳進(jìn)行欠壓檢測，當(dāng)電壓低于設(shè)定值時(shí)，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 保護(hù)特性

• 高ESD處理能力：總線引腳具有±8 kV的高ESD處理能力，有效防止靜電對設(shè)備的損壞。
• 高電壓魯棒性：CAN引腳具有±58 V的高電壓魯棒性，能夠承受汽車環(huán)境中的高電壓沖擊。
• 瞬態(tài)保護(hù)：總線引腳在汽車環(huán)境中受到瞬態(tài)保護(hù)，減少瞬態(tài)電壓對設(shè)備的影響。
• 熱保護(hù)：具備熱保護(hù)功能，當(dāng)虛擬結(jié)溫超過設(shè)定值時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器將被禁用，直到溫度下降，避免設(shè)備因過熱而損壞。

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)，確保系統(tǒng)在合適的電壓、電流和溫度范圍內(nèi)正常工作。

四、訂購信息

工程師可根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的型號(hào)和封裝。

五、功能描述

5.1 工作模式

TJA1042支持正常和待機(jī)兩種工作模式，通過STB引腳進(jìn)行選擇。

• 正常模式：STB引腳為低電平時(shí)，收發(fā)器進(jìn)入正常模式。在此模式下，收發(fā)器可通過CANH和CANL總線線路進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。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RXD引腳。總線線路上輸出信號(hào)的斜率由內(nèi)部控制，以確保最低的電磁發(fā)射（EME）。
• 待機(jī)模式：STB引腳為高電平時(shí)，收發(fā)器進(jìn)入待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，收發(fā)器無法正常進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，發(fā)射器和正常模式接收器模塊關(guān)閉以降低電源電流，僅由低功耗差分接收器監(jiān)測總線線路的活動(dòng)。低功耗接收器輸出端的喚醒濾波器不會(huì)鎖定總線顯性狀態(tài)，確保只有持續(xù)時(shí)間超過(t{fltr(wake)bus})的總線顯性和隱性狀態(tài)才會(huì)反映在RXD引腳上。總線線路在待機(jī)模式下被偏置到地，以最小化系統(tǒng)電源電流。即使只有(V{IO})作為電源電壓，低功耗接收器也能檢測CAN總線的活動(dòng)。當(dāng)RXD引腳變?yōu)榈碗娖揭园l(fā)出喚醒請求時(shí)，直到STB引腳被強(qiáng)制為低電平，才會(huì)觸發(fā)向正常模式的轉(zhuǎn)換。

5.2 故障安全特性

• TXD顯性超時(shí)功能：當(dāng)TXD引腳設(shè)置為低電平時(shí)，啟動(dòng)“TXD顯性超時(shí)定時(shí)器”。如果TXD引腳的低電平狀態(tài)持續(xù)時(shí)間超過(t_{to(dom)TXD})，發(fā)射器將被禁用，總線線路恢復(fù)到隱性狀態(tài)。該功能可防止硬件和/或軟件應(yīng)用故障導(dǎo)致總線線路持續(xù)處于顯性狀態(tài)，從而阻塞所有網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)TXD引腳設(shè)置為高電平時(shí)，TXD顯性超時(shí)定時(shí)器復(fù)位。TXD顯性超時(shí)時(shí)間也定義了最小可能的比特率為40 kbit/s。
• 總線顯性超時(shí)功能：在待機(jī)模式下，當(dāng)CAN總線從隱性狀態(tài)變?yōu)轱@性狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)“總線顯性超時(shí)定時(shí)器”。如果總線上的顯性狀態(tài)持續(xù)時(shí)間超過(t_{to(dom)bus})，RXD引腳將被復(fù)位為高電平。該功能可防止由于總線短路或網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致的總線鉗位顯性狀態(tài)產(chǎn)生永久喚醒請求。當(dāng)CAN總線從顯性狀態(tài)變?yōu)殡[性狀態(tài)時(shí)，總線顯性超時(shí)定時(shí)器復(fù)位。
• TXD和STB輸入引腳內(nèi)部偏置：TXD和STB引腳內(nèi)部上拉到(V_{IO})，以確保在這些引腳懸空時(shí)處于安全、定義的狀態(tài)。在所有狀態(tài)下，這些引腳上都會(huì)有上拉電流流動(dòng)。在待機(jī)模式下，應(yīng)將這兩個(gè)引腳保持為高電平，以最小化待機(jī)電流。
• (V{CC})和(V{IO})引腳欠壓檢測：如果(V{CC})下降到(V{CC})欠壓檢測電平(V{Uvd(VCC)})以下，收發(fā)器將切換到待機(jī)模式，直到(V{CC})恢復(fù)正常，此時(shí)將忽略STB引腳的邏輯狀態(tài)。如果(V{IO})下降到(V{IO})欠壓檢測電平(V{Uvd(VIO)})以下，收發(fā)器將關(guān)閉并與總線斷開連接（零負(fù)載），直到(V{IO})恢復(fù)正常。
• 過溫保護(hù)：輸出驅(qū)動(dòng)器具備過溫保護(hù)功能。如果虛擬結(jié)溫超過關(guān)斷結(jié)溫(T{j(sd)})，輸出驅(qū)動(dòng)器將被禁用，直到虛擬結(jié)溫下降到(T{j(sd)})以下且TXD再次變?yōu)殡[性狀態(tài)。包含TXD條件可確保避免因溫度漂移導(dǎo)致的輸出驅(qū)動(dòng)器振蕩。

5.3 SPLIT輸出引腳和(V_{IO})電源引腳

TJA1042有兩種版本，僅在引腳5的功能上有所不同，引腳5可以是SPLIT輸出引腳或(V_{IO})電源引腳。

• SPLIT引腳：TJA1042T上的SPLIT引腳與分割終端網(wǎng)絡(luò)配合使用，有助于穩(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)中的電磁發(fā)射（例如，來自總線泄漏性能較差的停用節(jié)點(diǎn)）。在正常模式下，SPLIT引腳提供(0.5 V{CC})的直流輸出電壓。在待機(jī)模式或(V{CC})關(guān)閉時(shí)，SPLIT引腳處于浮空狀態(tài)。當(dāng)不使用時(shí)，SPLIT引腳應(yīng)保持開路。
• (V_{IO})電源引腳：TJA1042T/3和TJA1042TK/3上的(V{IO})引腳應(yīng)連接到微控制器的電源電壓，以將TXD、RXD和STB引腳的信號(hào)電平調(diào)整到微控制器的I/O電平。(V{IO})引腳還為收發(fā)器的低功耗差分接收器提供內(nèi)部電源電壓。對于運(yùn)行在低功耗模式下的應(yīng)用，即使(V{CC})引腳沒有電源電壓，也可以監(jiān)測總線線路的活動(dòng)。對于沒有(V{IO})引腳的TJA1042版本，(V{IO})輸入在內(nèi)部連接到(V{CC})，這將TXD、RXD和STB引腳的信號(hào)電平設(shè)置為與5V微控制器兼容的電平。

六、應(yīng)用信息

6.1 應(yīng)用圖示

文檔中提供了TJA1042T與5V微控制器以及TJA1042T/3或TJA1042TK/3與3V微控制器的典型應(yīng)用圖示，為工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供了參考。

6.2 應(yīng)用提示

關(guān)于TJA1042的更多應(yīng)用信息，可參考NXP應(yīng)用提示AH1014 “Application Hints - Standalone high speed CAN transceiver TJA1042/TJA1043/TJA1048/TJA1051”。

七、測試信息

文檔中給出了CAN收發(fā)器的定時(shí)測試電路和測量收發(fā)器驅(qū)動(dòng)器對稱性的測試電路，同時(shí)表明該產(chǎn)品已通過汽車電子委員會(huì)（AEC）標(biāo)準(zhǔn)Q100 Rev - G的認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用。

八、封裝外形

TJA1042提供SO8和HVSON8兩種封裝，文檔詳細(xì)給出了這兩種封裝的外形尺寸和相關(guān)參數(shù)，方便工程師進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。

九、焊接信息

9.1 焊接概述

焊接是將封裝連接到印刷電路板（PCB）以形成電路的常見方法，焊接接頭提供機(jī)械和電氣連接。不同的IC封裝適用于不同的焊接方法，波峰焊適用于通孔和表面貼裝器件（SMD）混合的印刷線路板，但不適用于細(xì)間距SMD；回流焊則適用于小型化帶來的小間距和高密度封裝。

9.2 波峰焊和回流焊

• 波峰焊：通過液態(tài)焊料的駐波進(jìn)行焊接，適用于通孔組件、粘貼在印刷電路板表面的有引腳或無引腳SMD。但并非所有SMD都適合波峰焊，如帶有焊球的封裝和一些底部有焊盤的無引腳封裝，以及引腳間距小于約0.6 mm的有引腳SMD，由于橋接概率增加，不適合波峰焊。
• 回流焊：先在電路板上涂覆焊膏，然后放置組件并進(jìn)行溫度曲線處理。有引腳封裝、帶有焊球的封裝和無引腳封裝都可以進(jìn)行回流焊。波峰焊和回流焊的關(guān)鍵特性包括電路板規(guī)格、封裝焊盤、封裝的濕度敏感度等級、組件放置、檢查和修復(fù)以及無鉛焊接與SnPb焊接等方面。

9.3 回流焊注意事項(xiàng)

回流焊中，無鉛回流工藝通常比SnPb工藝需要更高的最低峰值溫度，從而減小了工藝窗口。還需要注意焊膏印刷問題，如涂抹、脫模以及為電路板上大小組件混合調(diào)整工藝窗口。回流溫度曲線包括預(yù)熱、回流（將電路板加熱到峰值溫度）和冷卻階段，峰值溫度必須足夠高以確保焊料形成可靠的焊接接頭，同時(shí)又不能過高以免損壞封裝和/或電路板。不同厚度和體積的封裝，其峰值溫度要求不同，文檔中給出了SnPb共晶工藝和無鉛工藝下不同封裝厚度和體積對應(yīng)的回流溫度表。此外，必須始終遵守包裝上標(biāo)明的濕度敏感度預(yù)防措施。

十、總結(jié)

TJA1042高速CAN收發(fā)器憑借其豐富的特性、可靠的故障安全功能和靈活的應(yīng)用方式，為汽車電子領(lǐng)域的高速CAN通信提供了優(yōu)秀的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮其各項(xiàng)參數(shù)和特性，結(jié)合具體應(yīng)用需求，合理選擇型號(hào)和封裝，并注意焊接等工藝問題，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用TJA1042的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。