TCAN1051：具有CAN FD和故障保护功能的CAN收发器深度解析

在电子工程师的日常工作中，CAN收发器是构建可靠通信网络的关键组件。今天，我们来深入探讨一下TI公司的TCAN1051系列CAN收发器，它在众多应用场景中展现出了卓越的性能和可靠性。

文件下载：tcan1051hv.pdf

一、产品概述

TCAN1051系列包括TCAN1051、TCAN1051G、TCAN1051GV等多种型号，符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理层标准，为CAN FD网络提供了强大的支持。所有器件均设计用于数据速率高达2Mbps的CAN FD网络，而带有“G”后缀的器件更是能实现高达5Mbps的数据速率，满足了不同应用场景对高速数据传输的需求。

二、特性亮点

2.1 高速与兼容性

• 支持多种CAN标准：支持经典CAN和2Mbps CAN FD，“G”选项还支持5Mbps，为不同的CAN应用提供了灵活的选择。
• I/O电压范围广：I/O电压范围支持3.3V和5V MCU，方便与不同电压的微控制器进行接口。

2.2 保护特性

• ESD保护：HBM ESD保护高达±16kV，IEC ESD保护高达±15kV，有效防止静电对器件的损坏。
• 总线故障保护：非H型号提供±58V的总线故障保护，H型号更是达到了±70V，增强了器件在恶劣环境下的可靠性。
• 其他保护功能：包括$V_{CC}$和VIO（仅限V型号）电源终端的欠压保护、驱动器显性超时（TXD DTO）和热关断保护（TSD）等，全方位保障器件和网络的安全。

2.3 理想无源行为

未供电时，总线和逻辑引脚处于高阻态，在总线和RXD输出上实现上电/断电无干扰运行，避免对其他节点造成影响。

2.4 封装优势

采用SOIC (8) 封装和无引线VSON (8) 封装（3.0mm x 3.0mm），具有改进的自动光学检查（AOI）功能，方便生产制造和检测。

三、应用场景

3.1 工业领域

适用于工业自动化、控制、传感器和驱动系统，以及楼宇、安全和温度控制自动化等场景，为工业设备之间的可靠通信提供保障。

3.2 交通运输

可用于重型机械ISOBUS应用ISO 11783，满足交通运输领域对高负载CAN网络的需求。

3.3 通信领域

在电信基站状态和控制中也有广泛应用，确保基站设备之间的稳定通信。

3.4 其他CAN总线标准应用

诸如CANopen、DeviceNet、NMEA2000、ARNIC825、ISO11783、CANaerospace等CAN总线标准的应用场景中，TCAN1051都能发挥重要作用。

四、技术规格详解

4.1 绝对最大额定值

规定了器件在不同参数下的最大承受范围，如$V_{CC}$的电压范围为 - 0.3V至7V，不同型号的CAN总线I/O电压范围也有所不同，非H型号为 - 58V至58V，H型号为 - 70V至70V等。在设计时，必须严格遵守这些额定值，以确保器件的安全运行。

4.2 ESD评级

详细列出了不同封装（D(SOIC)和DRB(VSON)）下的ESD测试条件和对应数值，如人体模型（HBM）ESD应力电压在所有终端可达±6000V，CAN总线终端（CANH, CANL）至GND更是高达±16000V，反映了器件良好的防静电能力。

4.3 推荐工作条件

明确了$V{CC}$和$V{IO}$的推荐电压范围，以及RXD终端的输出电流要求，为工程师在实际应用中提供了准确的参考。

4.4 电气特性

包含了Supply Characteristics、S Terminal、TXD Terminal、RXD Terminal等多个方面的电气参数，如5 - V Supply current在不同模式下的典型值和最大值，不同终端的输入输出电压、电流、电容等特性，这些参数对于电路设计和性能分析至关重要。

4.5 开关特性

规定了器件在不同状态下的开关时间，如总循环延迟、模式更改时间、传播延迟时间等，对于确保信号的准确传输和系统的实时性具有重要意义。

4.6 典型特性

通过图表展示了$V{OD(D)}$随温度、$V{CC}$的变化，以及$I_{CC}$ Recessive随温度的变化等典型特性曲线，帮助工程师直观了解器件在不同条件下的性能表现。

五、功能特性深入剖析

5.1 TXD Dominant Timeout (DTO)

在正常模式下，当TXD被长时间保持为显性状态时，TXD DTO电路会在超时时间$t_{TXD_DTO}$后禁用CAN总线驱动器，避免阻塞网络通信。当TXD出现隐性信号时，CAN驱动器会重新激活，恢复正常通信。需要注意的是，TXD DTO电路允许的最小TXD显性时间限制了器件的最小传输数据速率。

5.2 Thermal Shutdown (TSD)

当器件的结温超过热关断阈值$T{TSD}$时，器件会关闭CAN驱动器电路，将CAN总线终端偏置到隐性电平，同时接收器到RXD的路径仍保持工作。当结温下降到低于$T{TSD}$至少热关断滞后温度$T_{TSD_HYS}$时，关断条件解除。

5.3 Undervoltage Lockout

当$V{CC}$或$V{IO}$电源终端出现欠压事件时，器件会进入保护模式，根据不同的欠压情况，总线输出和RXD会呈现不同的状态，如高阻抗或镜像总线状态等。在欠压条件清除且电源恢复到有效水平后，器件通常会在50µs内恢复正常运行。

5.4 Unpowered Device

未供电时，器件对CAN总线呈现“理想无源”状态，总线和逻辑终端的泄漏电流极低，避免对其他节点造成负载影响，确保网络的正常运行。

5.5 Floating Terminals

关键终端具有内部上拉电阻，当终端浮空时，能使器件处于已知状态。例如，TXD终端会被上拉到$V{CC}$或$V{IO}$，S终端会被下拉，使器件进入正常模式。

5.6 CAN Bus Short Circuit Current Limiting

器件具备两种保护功能来限制CAN总线短路时的电流，即驱动器电流限制和TXD显性状态超时。通过考虑CAN帧中的数据以及协议和物理层的相关因素，可以计算出总线的平均短路电流，在设计网络时，需要根据这些因素合理选择终端电阻和其他网络组件的功率额定值。

5.7 Digital Inputs and Outputs

• 5 - V $V_{CC}$ Only Devices：由单5 - V电源供电，数字输入具有TTL输入阈值，与5V和3.3V兼容，RXD输出在逻辑高电平时驱动到$V_{CC}$。在与具有开漏TXD输出的CAN控制器配合使用时，需要特别考虑TXD上拉强度和CAN位时序，使用适当的外部上拉电阻。
• 5 V $V{CC}$ with $V{IO}$ I/O Level Shifting：使用5V $V{CC}$电源为CAN驱动器和高速接收器模块供电，同时具有用于I/O电平转换的$V{IO}$电源，用于设置TXD和S引脚的CMOS输入阈值以及RXD高电平输出电压。

六、设备功能模式

6.1 正常模式（Normal Mode）

将S终端设置为低电平时，进入正常模式。此时CAN驱动器和接收器完全工作，实现CAN通信的双向传输。驱动器将TXD的数字输入转换为CANH和CANL的差分输出，接收器将CANH和CANL的差分信号转换为RXD的数字输出。

6.2 静音模式（Silent Mode）

将S终端设置为高电平时，激活静音模式。CAN驱动器被禁用，阻止从TXD引脚到CAN总线的通信，但高速接收器仍然工作，CAN总线的通信信息会继续传输到RXD输出引脚。

七、应用设计要点

7.1 设计要求

• 总线负载、长度和节点数量：虽然ISO 11898 - 2标准规定了最大总线长度和最大分支长度，但通过精心设计，可以增加电缆长度、分支长度和节点数量。TCAN1051系列具有高输入阻抗，理论上支持在单个总线段上最多连接100个收发器，但实际应用中需要考虑信号损失、寄生负载、网络不平衡等因素，合理确定节点数量和总线长度。
• CAN终端：ISO 11898标准规定使用120Ω特性阻抗的双绞线电缆，并在电缆两端使用相同阻值的电阻进行终端匹配，以防止信号反射。可以采用单120 - Ω电阻终端或分裂终端，分裂终端有助于改善网络的电磁发射特性。

7.2 详细设计程序

• CAN终端：确保电缆两端的终端电阻匹配，尽量缩短连接节点到总线的未终端分支线长度。如果需要对总线的共模电压进行滤波和稳定，可以使用分裂终端。
• 布局设计：在PCB设计中，要将保护和滤波电路靠近总线连接器，使用$V_{CC}$和接地平面提供低电感，旁路和大容量电容要尽量靠近收发器的电源端子，合理设计总线终端和数字线路的限流电阻等。

7.3 电源供应建议

器件的$V{CC}$输入电源电压范围为4.5V至5.5V，部分器件的$V{IO}$输出电平转换电源输入范围为3V至5.5V，两个电源输入都必须进行良好的稳压处理。在CAN收发器的主$V{CC}$电源输出附近放置一个大容量电容（通常为4.7μF），并在器件的$V{CC}$和$V_{IO}$电源端子附近放置一个旁路电容（通常为0.1μF），以减少电源电压纹波和补偿PCB电源平面和走线的电阻和电感。

八、总结

TCAN1051系列CAN收发器凭借其高速、可靠、多功能等特点，在众多应用领域中展现出了强大的竞争力。作为电子工程师，在设计CAN网络时，我们需要充分了解其特性、规格和应用要点，合理选择和使用该器件，以确保设计出的系统能够稳定、高效地运行。在实际应用中，你是否遇到过类似CAN收发器的设计难题呢？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。