具备 CAN FD 的 TCAN33x 3.3V CAN 收发器：特性、应用与设计要点

在工业自动化、汽车电子等领域，CAN（Controller Area Network）总线凭借其高可靠性、实时性和抗干扰能力，成为了设备间通信的重要选择。而具备 CAN FD（灵活数据速率）的 TCAN33x 3.3V CAN 收发器，更是为 CAN 网络带来了新的活力。今天，我们就来深入了解一下这款收发器的特性、应用以及设计要点。

文件下载：tcan334.pdf

一、产品概述

TCAN33x 器件系列与 ISO 11898 高速 CAN 物理层标准兼容，包括 TCAN330、TCAN332、TCAN334 和 TCAN337 及其对应的 G 系列（TCAN330G、TCAN332G、TCAN334G 和 TCAN337G）。其中，G 系列器件的数据速率高达 5Mbps，而非 G 系列的数据传输速率均高达 1Mbps。

二、特性亮点

2.1 电源与速率

• 单电源工作：采用 3.3V 单电源工作，可直接连接 3.3V CAN 控制器/MCU，同时还能与同一总线上的其他 5V CAN 收发器完全兼容，为系统设计提供了更大的灵活性。
• 高速数据传输：TCAN33xG 器件的数据速率高达 5Mbps，能够满足高速通信的需求，适用于对数据传输速率要求较高的应用场景。

2.2 封装与模式

• 多种封装选项：提供 SOIC - 8 和 SOT - 23 封装选项。SOIC - 8 封装便于插接，而 SOT - 23 封装则更适合空间受限的应用，工程师可以根据实际需求进行选择。
• 丰富的工作模式：
  • 正常模式：所有器件都支持正常模式，在此模式下，CAN 驱动和接收器完全工作，实现双向 CAN 通信。
  • 低功耗待机模式：TCAN334 具备具有唤醒功能的低功耗待机模式，可有效降低系统功耗。在待机模式下，CAN 驱动和主接收器关闭，但低功耗接收器和总线监视器仍处于工作状态，当检测到总线活动时，可通过 RXD 输出唤醒请求，使设备恢复正常工作。
  • 静音模式：TCAN330 和 TCAN337 支持静音模式，在该模式下，CAN 驱动禁用，接收器正常工作，实现单向接收功能，适用于只需要监听总线数据的场景。
  • 关断模式：TCAN330 和 TCAN334 具备关断模式，此模式下 CAN 驱动和接收器均关闭，功耗最低，可在系统不需要通信时使用。

2.3 电气性能

• 宽共模工作电压范围：具有 ±12V 的宽共模工作电压范围，能够适应复杂的电气环境，保证在不同的共模电压下正常工作。
• 总线引脚故障保护：提供 ±14V 的总线引脚故障保护，可有效防止总线引脚因过压、短路等故障而损坏，提高了系统的可靠性。
• 低环路延迟：总环路延迟 < 135ns，确保了数据传输的实时性，减少了通信延迟对系统性能的影响。
• 宽工作温度范围：工作环境温度范围为 - 40°C 至 125°C，可在恶劣的工业环境中稳定工作。

2.4 保护特性

• ESD 保护：总线引脚具备出色的 ESD 保护，HBM ESD 保护超过 ±25kV，IEC61000 - 4 - 2 ESD 接触放电保护超过 ±12kV，有效防止静电对器件的损害。
• 显性超时保护：具有驱动器显性超时（TXD DTO）和接收器显性超时（RXD DTO）特性，可防止因硬件或软件故障导致的总线阻塞，确保 CAN 网络的稳定性。当 TXD 或 RXD 长时间处于显性状态时，相应的超时机制会使总线恢复到隐性状态，避免局部故障影响整个网络的通信。
• 故障输出引脚：仅 TCAN337 具备故障输出引脚，当出现故障时，该引脚会输出信号，方便工程师及时发现和排查问题。
• 欠压保护：具备 (V_{CC}) 欠压保护功能，当电源电压低于阈值时，器件会进入保护模式，将总线置于高阻抗状态，防止对总线造成干扰。
• 热关断保护：当器件的结温超过热关断阈值时，会自动关闭 CAN 驱动电路，避免器件因过热而损坏。当温度下降到一定程度后，器件会自动恢复正常工作。
• 总线引脚限流：对 CAN 总线引脚进行限流保护，防止短路时过大的电流对器件和总线造成损害。

三、应用领域

3.1 高速 CAN 网络

TCAN33xG 器件可实现具有灵活数据速率网络的 CAN 中的 5Mbps 运行，适用于对数据传输速率要求较高的高速 CAN 网络，如汽车电子中的动力系统控制、工业自动化中的高速数据采集等。

3.2 高负载 CAN 网络

在高负载 CAN 网络中，TCAN33x 系列器件可实现 1Mbps 的稳定运行，能够满足大量数据传输的需求，如工业自动化中的多节点控制系统、楼宇自动化中的设备监控网络等。

3.3 其他应用

该系列器件还广泛应用于工业自动化、控制、传感器和驱动系统，楼宇、安全和温度控制自动化，电信基站状态和控制等领域，以及 CANopen、DeviceNet、NMEA2000、ARINC825、ISO11783、CANaerospace 等 CAN 总线标准的应用场景。

四、设计要点

4.1 总线负载与节点数量

在 CAN 网络设计中，需要考虑总线负载、节点数量和电缆长度等因素。ISO 11898 标准规定了数据速率、最大电缆长度和节点数量的限制，但通过合理的网络设计，可以突破这些限制。TCAN33x 系列器件具有高输入阻抗和宽共模范围，能够适应较多节点的网络。在设计时，需要为信号损失、寄生负载、网络不平衡、接地偏移和信号完整性等因素留出余量，以确保系统的可靠性。

4.2 总线终端

CAN 总线的终端非常重要，ISO 11898 标准规定使用 120Ω 特征阻抗的双绞线电缆，并在电缆两端使用 120Ω 的电阻进行终端匹配，以防止信号反射。也可以采用分裂终端的方式，将终端电阻分为两个 60Ω 的电阻，并在中间通过电容接地，提供共模滤波功能。在设计时，需要注意终端电阻的功率额定值，以应对可能的短路情况。

4.3 电源与布局

• 电源：为了确保器件在所有数据速率和电源电压下可靠运行，每个电源应使用 100nF 的陶瓷电容进行去耦，并将电容尽可能靠近 (V_{CC}) 电源引脚放置。可以使用 TPS76333 等线性电压调节器为 3.3V 电源供电。
• 布局：在 PCB 设计中，需要注意以下几点：
  • 瞬态保护：在 CANH 和 CANL 引脚上使用瞬态电压抑制器（TVS）和电容进行额外的系统级保护，并将这些器件尽可能靠近连接器放置，以防止瞬态能量和噪声进入电路板的其他网络。
  • 总线终端：如果在电路板上放置终端电阻，需要确保终端节点不会从总线上移除，以免影响信号完整性。
  • 去耦电容：旁路和大容量电容应尽可能靠近收发器的电源引脚放置，以减少电源噪声。
  • 接地和电源连接：使用至少两个过孔连接 (V_{CC}) 和接地，以减少走线和过孔的电感。
  • 数字输入和输出：可以使用串联电阻限制数字线路的电流，并使用电容过滤数字 I/O 线路上的噪声。
  • 故障输出引脚：对于 TCAN337 的故障输出引脚，需要使用外部上拉电阻将引脚电压拉高，以实现正常工作。
  • TXD 输入引脚：如果使用开漏输出的主机处理器驱动 TXD 引脚，需要使用 1kΩ 至 10kΩ 的外部上拉电阻，以确保器件的隐性输入状态。

五、总结

TCAN33x 3.3V CAN 收发器以其丰富的特性、广泛的应用领域和良好的电气性能，为 CAN 网络设计提供了优秀的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择器件和工作模式，并注意总线负载、终端匹配、电源和布局等设计要点，以确保系统的可靠性和稳定性。希望本文对大家在使用 TCAN33x 收发器进行设计时有所帮助，你在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享。