深入剖析TJA1043高速CAN收發器：特性、應用與設計要點

在電子工程師的日常工作中，CAN收發器是實現控制器局域網（CAN）通信不可或缺的組件。今天，我們就來詳細探討NXP Semiconductors推出的TJA1043高速CAN收發器，看看它在高速CAN應用中都有哪些出色的表現。

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一、TJA1043概述

TJA1043是一款專為汽車行業高速CAN應用設計的收發器，它在CAN協議控制器和物理雙線CAN總線之間提供了可靠的接口。作為NXP第三代高速CAN收發器，相較于第一代和第二代設備（如TJA1041A），TJA1043在電磁兼容性（EMC）、靜電放電（ESD）性能方面有顯著提升，同時具備極低的功耗和在電源關閉時的被動特性。

二、特性亮點

2.1 通用特性

• 標準兼容性：符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5標準，能實現CAN FD快速階段高達5 Mbit/s的數據可靠通信。
• 低電磁發射與高抗擾性：低電磁發射（EME）和高電磁抗擾性（EMI），其(V_{10})輸入允許直接與3 V和5 V微控制器接口。
• 穩定的隱性總線電平：SPLIT電壓輸出有助于穩定隱性總線電平，減少網絡中的電磁干擾。
• 多種工作模式：具備監聽模式，可用于節點診斷和故障抑制，還提供SO14和HVSON14兩種封裝形式，其中HVSON14封裝（3.0 mm × 4.5 mm）具有更好的自動光學檢測（AOI）能力。
• 汽車級認證：通過AEC - Q100認證，是無鹵且符合有害物質限制（RoHS）的環保產品。

2.2 低功耗管理

• 超低電流模式：具備極低電流的待機和睡眠模式，支持本地、遠程和主機喚醒功能，可在喚醒時識別喚醒源。
• 零負載特性：當(V_{BAT})缺失時，收發器與總線斷開連接（零負載），且在所有電源條件下功能行為可預測。

2.3 保護與診斷功能

• 高ESD處理能力：總線引腳具有高ESD處理能力，能有效抵御靜電放電的影響。
• 瞬態保護：總線引腳和(V_{BAT})針對汽車環境中的瞬態干擾進行了保護。
• 多種診斷功能：包括發送數據（TXD）主導超時功能、TXD到RXD短路處理、熱保護、欠壓檢測和恢復、總線線路短路診斷、總線主導鉗位診斷以及冷啟動診斷等。

三、關鍵數據速覽

四、引腳信息

4.1 引腳配置

TJA1043有SO14和HVSON14兩種封裝，不同封裝的引腳配置有所不同，但都包含TXD（發送數據輸入）、RXD（接收數據輸出）、(V{CC})（收發器電源電壓）、(V{IO})（I/O電平適配器電源電壓）等關鍵引腳。

4.2 引腳描述

• TXD：用于輸入發送數據。
• RXD：從總線線路讀取數據并輸出。
• (V_{CC})：為收發器提供電源。
• (V_{IO})：為I/O電平適配器供電，可使信號電平與微控制器的I/O電平相匹配。
• EN：使能控制輸入，用于控制收發器的工作狀態。
• INH：用于切換外部電壓調節器的抑制輸出。
• ERR_N：錯誤和上電指示輸出（低電平有效）。
• WAKE：本地喚醒輸入。
• (V_{BAT})：電池供電電壓。
• SPLIT：共模穩定輸出。
• CANL 和 CANH：分別為低電平和高電平CAN總線線路。
• STB_N：待機控制輸入（低電平有效）。

五、工作模式詳解

TJA1043支持五種工作模式，通過控制引腳STB_N和EN進行選擇，不同模式下的功能和功耗有所差異。

5.1 正常模式

在正常模式下，收發器可通過CANH和CANL總線線路進行數據的發送和接收。差分接收器將總線上的模擬數據轉換為數字數據輸出到RXD引腳，同時內部會優化總線線路輸出信號的斜率，以保證最低的電磁發射（EME）。此時，INH引腳有效，由其控制的電壓調節器也處于激活狀態。

5.2 監聽模式

監聽模式下，收發器的發射器被禁用，僅接收總線上的信號。接收器仍能將CANH和CANL引腳上的模擬總線信號轉換為數字數據，并通過RXD引腳輸出。與正常模式相同，總線引腳偏置為(0.5 V_{CC})，INH引腳保持有效。

5.3 待機模式

待機模式是TJA1043的一級節能模式，可降低電流消耗。在此模式下，收發器無法進行數據的發送和接收，但會激活低功耗接收器來監控總線活動?？偩€引腳偏置為地電平，INH引腳仍然有效，由其控制的電壓調節器也處于激活狀態。RXD和ERRN引腳會反映任何有效的喚醒請求（前提是(V{IO})和(V_{BAT})存在）。

5.4 睡眠模式準備

睡眠模式準備是進入睡眠模式的受控路徑。在此模式下，收發器的行為與待機模式相似，但會向收發器發出進入睡眠模式的命令。收發器將在最短保持時間(t{h(min)})后進入睡眠模式，如果在(t{h(min)})之前STB_N或EN引腳的狀態發生變化，或者喚醒標志被設置，收發器將不會進入睡眠模式。

5.5 睡眠模式

睡眠模式是TJA1043的二級節能模式?？赏ㄟ^睡眠模式準備進入，也可在(V{CC})或(V{IO})的欠壓檢測時間超過且相關電壓未恢復時進入。在睡眠模式下，INH引腳浮空，由其控制的電壓調節器將關閉，(V_{BAT})引腳的電流將降至最低?？赏ㄟ^STB_N、EN引腳和喚醒標志將節點從睡眠模式喚醒。

六、內部標志與故障檢測

6.1 內部標志

TJA1043利用七個內部標志進行故障安全回退模式控制和系統診斷支持，其中五個標志可通過ERR_N引腳由控制器進行輪詢。不同的標志在不同的工作模式下可用，且標志的清除條件也各不相同。

• (UV_{NOM})標志：(V{CC})和(V{IO})欠壓檢測標志。當(V{CC})或(V{IO})引腳的電壓低于欠壓檢測電壓且持續時間超過欠壓檢測時間時，該標志被設置，收發器將進入睡眠模式以節省功率并確保總線不受干擾。任何喚醒請求、設置Pwon標志或STB_N引腳從低到高的轉換都將清除該標志。
• (UV_{BAT})標志：(V{BAT})欠壓檢測標志。當(V{BAT})引腳的電壓低于(V{UVd(VBAT)})時，該標志被設置，收發器將嘗試進入待機模式以節省功率并與總線斷開連接。當(V{BAT})電壓恢復時，該標志被清除。
• Pwon標志：(V{BAT})上電標志。當(V{BAT})引腳的電壓在之前低于(V{uvd(VBAT)})后恢復時，該標志被設置，同時清除(UV{NOM})標志和定時器。在監聽模式下，可通過ERR_N引腳輪詢該標志，進入正常模式時該標志被清除。
• Wake標志：喚醒標志。當收發器檢測到本地或遠程喚醒請求時，該標志被設置。本地喚醒請求通過WAKE引腳的邏輯電平變化檢測，且新電平需保持穩定至少(t{wake})時間。該標志可在待機模式、睡眠模式準備或睡眠模式下設置，設置后會清除(UV{NOM})標志和定時器。在電源上電時該標志也會被設置，當(UV_{NOM})標志被設置或收發器進入正常模式時，該標志被清除。
• 遠程喚醒：TJA1043可在總線上檢測到特定的喚醒模式（由ISO 11898 - 2:2016規定）時從待機或睡眠模式喚醒，以避免誤喚醒事件。喚醒模式由至少(t{wake(busdom)})的主導階段、至少(t{wake(busrec)})的隱性階段和至少(t{wake(busdom)})的主導階段組成，整個模式必須在(t{o(wake)bus})內接收才能被識別為有效喚醒模式。
• 喚醒源標志：用于識別喚醒源。當Wake標志由通過WAKE引腳的本地喚醒請求設置時，該標志被設置。在正常模式下，可通過ERR_N引腳輪詢該標志，離開正常模式時該標志被清除。
• 總線故障標志：當收發器在嘗試驅動總線線路為顯性狀態時，在TXD引腳的四個連續顯性 - 隱性周期內檢測到總線線路短路到(V{BAT})、(V{CC})或GND的情況時，該標志被設置。在正常模式下，可通過ERR_N引腳輪詢該標志，電源上電或重新進入正常模式時該標志被清除。
• 本地故障標志：在正常和監聽模式下，收發器可區分四種不同的本地故障事件（TXD主導鉗位、TXD到RXD短路、總線主導鉗位和過溫事件），任何一種事件發生都會設置該標志。在監聽模式下，可通過ERR_N引腳輪詢該標志，電源上電、進入正常模式或在所有本地故障解決的情況下，當RXD為顯性而TXD為隱性時，該標志被清除。

6.2 本地故障檢測

• TXD主導超時功能：防止因TXD引腳持續為低電平（硬件或軟件應用故障）導致CAN總線進入永久主導狀態，從而阻塞網絡通信。當TXD引腳保持低電平的時間超過TXD主導超時時間(t_{to(dom)TXD})時，發射器將被禁用，直到本地故障標志被清除。
• TXD到RXD短路檢測：若RXD和TXD引腳之間發生短路，會導致總線進入永久主導狀態。檢測到短路后，發射器將被禁用，直到本地故障標志被清除。
• 總線主導超時功能：當CAN總線發生短路（到(V{BAT})、(V{CC})或GND）或其他網絡節點出現故障時，總線上的差分電壓可能足夠高以表示總線主導狀態。若總線主導狀態持續時間超過(t_{to(dom)bus})，則設置本地故障標志，通過檢查該標志，控制器可確定是否存在總線鉗位阻塞網絡通信的情況。
• 過溫檢測：當結溫過高時，發射器將及時關閉，以保護輸出驅動器不被過熱損壞，同時不影響最大工作溫度。發射器將保持禁用狀態，直到本地故障標志被清除。

七、其他重要特性

7.1 SPLIT引腳應用

SPLIT引腳與分割終端網絡配合使用，可幫助穩定總線上的隱性電壓電平，減少在存在直流接地泄漏（如來自總線泄漏性能不佳的停用節點）的網絡中的電磁發射。在正常和監聽模式下，SPLIT引腳提供(0.5 V_{CC})的直流輸出電壓；在待機、睡眠模式準備和睡眠模式下，SPLIT引腳浮空。

7.2 (V_{IO})電源引腳

(V_{IO})引腳應連接到微控制器的電源電壓，這樣可以使TXD、RXD、STB_N、EN和ERR_N引腳的信號電平與微控制器的I/O電平相匹配，無需額外的邏輯電路即可實現直接接口。

7.3 WAKE引腳

WAKE引腳的電平從低到高或從高到低的轉換可觸發本地喚醒事件，這在設計本地喚醒電路時提供了極大的靈活性。為了最小化電流消耗，內部偏置電壓將在延遲(t{wake})后跟隨引腳的邏輯狀態。在不使用本地喚醒功能的應用中，建議將WAKE引腳連接到(V{BAT})或GND，以確保最佳的電磁干擾（EMI）性能。

八、應用與設計要點

8.1 典型應用電路

文檔中給出了TJA1043與3 V微控制器的典型應用電路，展示了如何將TJA1043與其他組件連接以構建完整的CAN通信系統。在實際應用中，還可參考NXP應用提示AH1014獲取更多應用信息。

8.2 焊接與封裝

TJA1043提供SO14和HVSON14兩種封裝形式，不同封裝的焊接方法有所不同。常見的焊接方法包括波峰焊和回流焊，其中波峰焊適用于通孔組件和部分表面貼裝器件（SMD），回流焊則更適合小間距和高密度的組件。在焊接過程中，需要考慮電路板規格、封裝焊盤、濕度敏感度等因素，以確保焊接質量。對于HVSON封裝，可參考應用筆記AN10365和AN10366獲取更詳細的焊接信息。

8.3 絕對最大額定值與特性

在設計電路時，必須確保TJA1043的工作參數不超過其絕對最大額定值，如電池供電電壓(V_{BAT})、引腳電壓、電流等。同時，要參考其靜態和動態特性，了解其在不同工作模式下的電源電流、輸入輸出電壓、延遲時間等參數，以保證系統的穩定性和可靠性。

綜上所述，TJA1043高速CAN收發器憑借其出色的性能、豐富的功能和良好的兼容性，成為了高速CAN網絡設計的理想選擇。作為電子工程師，在進行CAN通信系統設計時，充分了解和合理應用TJA1043的各項特性，將有助于提高系統的性能和可靠性。大家在實際應用過程中遇到過哪些與CAN收發器相關的問題呢？歡迎一起交流探討。