TCAN1042-Q1系列汽车类CAN收发器：设计与应用指南

在汽车电子领域，可靠的通信是确保系统稳定运行的关键。CAN（Controller Area Network）总线作为一种广泛应用的通信协议，其收发器的性能直接影响着整个网络的可靠性和效率。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的TCAN1042-Q1系列具有CAN FD和故障保护功能的汽车类CAN收发器。

文件下载：tcan1042hgv-q1.pdf

一、特性剖析

1. 汽车级标准与兼容性

TCAN1042-Q1系列符合AEC - Q100（等级1）标准，这意味着它完全满足汽车应用的严格要求。同时，它还符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理层标准，为汽车网络通信提供了坚实的基础。此外，该系列还提供功能安全相关文档，有助于工程师进行功能安全系统的设计。

2. “Turbo”CAN技术

所有器件均支持经典CAN和2Mbps CAN FD（灵活数据速率），而带有“G”选项的器件更是支持高达5Mbps的数据速率。这种高速数据传输能力得益于其较短的对称传播延迟时间和快速循环次数，能够有效增加时序裕量，在有负载的CAN网络中实现更快的数据速率。

3. 出色的EMC性能

该系列支持SAE J2962 - 2和IEC 62228 - 3（最高500kbps）标准，并且在这些速率下无需共模扼流圈，大大简化了设计，降低了成本。

4. 宽I/O电压范围与理想无源行为

I/O电压范围支持3.3V和5V MCU，具有良好的兼容性。在未供电时，总线和逻辑引脚处于高阻态，无负载，且在总线和RXD输出上实现上电/断电无干扰运行，保证了系统的稳定性。

5. 全面的保护特性

• ESD保护：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型号的总线故障保护为±58V，H型号则达到±70V，增强了器件在恶劣环境下的可靠性。
• 欠压保护：$V_{CC}$和VIO（仅限V型号）电源终端具有欠压保护功能，确保器件在电压不稳定时的正常工作。
• 驱动器显性超时（TXD DTO）：数据速率低至10kbps时仍能正常工作，防止因硬件或软件故障导致的网络阻塞。
• 热关断保护（TSD）：当结温超过阈值时，自动关闭CAN驱动电路，保护器件不受过热损坏。

6. 其他特性

接收器共模输入电压范围为±30V，典型循环延迟为110ns，结温范围为 – 55°C至150°C，采用SOIC (8)封装和无引线VSON (8)封装（3.0mm x 3.0mm），提高了自动光学检测（AOI）能力。

二、应用领域

1. 汽车和运输

该系列器件适用于所有高负载CAN网络，包括重型机械ISOBUS应用（ISO 11783）、针对汽车应用的SAE J2284高速CAN、GMW3122双线制CAN物理层等，并且符合SAE J2962、GIFT/ICT、ISO16845的要求。

三、器件说明

1. 标准与速率

这款CAN收发器系列符合ISO1189 - 2 (2016)高速CAN物理层标准，所有器件均设计用于数据速率高达2Mbps的CAN FD网络。带有“G”后缀的器件旨在实现高达5Mbps的数据速率，而带有“V”后缀的器件配有提供I/O电平的辅助电源输入，用于设置输入引脚阈值和RXD输出电平。

2. 低功耗与保护特性

该系列具备低功耗待机模式及远程唤醒请求特性，所有器件都提供多种保护特性，如上述提到的ESD保护、总线故障保护等，提高了器件和网络的耐用性。

3. 器件信息

不同型号的器件在封装和尺寸上有所差异，具体信息如下表所示：	器件型号	封装(1)	封装尺寸
TCAN1042x - Q1	SOIC(8)	4.90mm x 3.91mm
	VSON(8)	3.00mm x 3.00mm

注：如需了解所有可用封装，请参阅数据表末尾的可订购产品附录。

四、规格参数

1. 绝对最大额定值

规定了器件在不同参数下的最大和最小工作范围，如$V{CC}$、$V{IO}$、$V{BUS}$等电压范围，以及$I{O(RXD)}$、$T{J}$、$T{STG}$等电流和温度范围。超出这些范围可能会导致器件永久性损坏。

2. ESD额定值

包括人体模型（HBM）、带电设备模型（CDM）、机器模型（MM）等不同测试条件下的ESD等级，以及系统级ESD和电气快速瞬变（EFT）测试结果，确保器件在静电环境下的可靠性。

3. 推荐工作条件

给出了$V{CC}$、$V{IO}$等电源电压的推荐范围，以及RXD终端的高低电平输出电流范围，以保证器件在最佳状态下工作。

4. 热信息

提供了不同封装形式下的热阻参数，如$R{JA}$（结到空气热阻）、$R{JB}$（结到板热阻）等，以及热关断温度和热关断滞后温度，帮助工程师进行散热设计。

5. 功率额定值

给出了不同测试条件下的平均功率耗散，如在典型CAN工作条件和高负载CAN工作条件下的功率消耗，为电源设计提供参考。

6. 电气特性

详细描述了器件在不同工作模式下的电气参数，如5 - V供电电流、IO供电电流、欠压检测电压、输入输出电压和电流等，是工程师进行电路设计和性能评估的重要依据。

7. 开关特性

包括总环路延迟、模式切换时间、滤波时间等开关参数，反映了器件的动态性能。

8. 典型特性

通过图表展示了$V{OD(D)}$随温度、$I{CC}$隐性电流随温度、总环路延迟随温度等典型特性，帮助工程师了解器件在不同温度下的性能变化。

五、参数测量信息

文档中提供了各种参数的测试电路和测量方法，如驱动器测试电路、接收器测试电路、模式切换时间测试电路等，为工程师进行实际测试和验证提供了详细的指导。

六、详细描述

1. TXD显性超时（DTO）

在正常模式下，TXD DTO电路可防止因硬件或软件故障导致TXD长时间保持显性状态而阻塞网络通信。当TXD出现下降沿时，DTO电路定时器开始计时，若在超时时间内未出现上升沿，则禁用CAN总线驱动器，释放总线供其他节点通信。当TXD出现隐性信号时，CAN驱动器重新激活。

2. 热关断（TSD）

当器件结温超过热关断阈值时，关闭CAN驱动电路，防止器件过热损坏。当结温下降到阈值以下一定程度时，关闭条件解除。

3. 欠压锁定

$V{CC}$或$V{IO}$电源终端出现欠压事件时，器件进入保护模式，保护总线不受影响。不同器件在欠压情况下的状态和输出有所不同，具体可参考文档中的表格。

4. 未供电设备

器件在未供电时对CAN总线呈现“理想无源”状态，总线和逻辑引脚的漏电流极低，避免对总线和其他电路造成负载。

5. 浮动终端

关键终端具有内部上拉电阻，确保在终端浮空时器件处于已知状态。TXD和STB引脚内部上拉到$V{CC}$或$V{IO}$，但在瞬态或嘈杂环境下，可能需要额外的外部偏置。

6. CAN总线短路电流限制

器件具有驱动器电流限制和TXD显性状态超时保护功能，可限制CAN总线短路时的电流。通过计算平均短路电流，工程师可以合理选择终端电阻和其他网络组件的功率额定值。

7. 数字输入和输出

• 无“V”后缀的器件：由单一5 - V电源供电，数字输入具有TTL输入阈值，与5V和3.3V兼容，RXD输出驱动到$V{CC}$。TXD和STB引脚内部上拉到$V{CC}$。
• 有“V”后缀的器件：使用5V $V{CC}$电源为CAN驱动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RXD的输入输出阈值。

8. 器件功能模式

器件主要有正常模式和待机模式两种工作模式，通过STB输入终端进行选择。

• 正常模式：STB为低电平时，CAN驱动器和接收器完全工作，实现双向CAN通信。
• 待机模式：STB为高电平时，总线发射器停止发送数据，正常模式接收器停止接收数据，只有低功耗接收器监测总线活动。当检测到唤醒模式（WUP）时，RXD输出低电平，指示唤醒事件。

9. 驱动器和接收器功能表

详细列出了不同输入条件下驱动器和接收器的输出状态，帮助工程师理解器件的工作原理。

七、应用信息

1. 典型应用配置

该系列CAN收发器通常与包含CAN协议数据链路层的主机微处理器或FPGA一起使用，文档中给出了5V和3.3V微处理器应用的典型配置示例。

2. 设计要求

• 总线负载、长度和节点数量：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，可延长电缆长度、增加分支长度和节点数量。TCAN1042系列具有高输入阻抗，理论上支持多达100个收发器在单总线网段上工作，但实际应用中需考虑信号损失、寄生负载等因素。
• CAN终端：使用与电缆特性阻抗相等的电阻对电缆两端进行终端匹配，可防止信号反射。若需要对总线共模电压进行滤波和稳定，可采用分裂终端。

3. 应用曲线

文档中给出了$I{CC}$显性电流随$V{CC}$电源电压变化的曲线，帮助工程师了解器件在不同电源电压下的电流消耗。

八、电源供应建议

器件设计工作在$V{CC}$输入电源电压范围为4.5V至5.5V，部分器件的$V{IO}$电源输入范围为3V至5.5V。两个电源输入都需要良好的稳压，建议在CAN收发器的$V{CC}$和$V{IO}$电源终端附近分别放置大容量电容和旁路电容，以减少电源电压纹波。

九、布局指南

1. 保护和滤波电路

将保护和滤波电路尽可能靠近总线连接器放置，可防止瞬变、ESD和噪声进入电路板。可使用瞬态电压抑制（TVS）器件、总线滤波电容和共模扼流圈等进行保护。

2. 电源和接地平面

使用电源和接地平面提供低电感路径，高频电流会遵循阻抗最小的路径。

3. 过孔和电容放置

旁路和大容量电容应尽可能靠近收发器的电源终端放置，使用至少两个过孔连接旁路电容和保护器件，以减少走线和过孔的电感。

4. 总线终端

采用分裂终端可提供总线共模滤波，放置终端时需确保在节点移除时仍有两个终端存在于网络中。

5. 数字线路限流

可使用串联电阻限制数字线路的电流，但不是必需的。

6. 引脚处理

对于不同引脚，如TXD、$V_{IO}$、STB等，根据器件型号和应用需求进行适当处理。

十、器件和文档支持

1. 接收文档更新通知

可在ti.com上的器件产品文件夹中订阅更新，每周接收产品信息更改摘要。

2. 支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、经过验证的解答和设计帮助的重要途径。

3. 静电放电注意事项

该集成电路可能会受到ESD损坏，处理时需采取适当的预防措施。

4. 术语表

文档中提供了术语、首字母缩略词和定义的解释，方便工程师理解文档内容。

十一、机械、封装和可订购信息

详细列出了不同型号器件的封装形式、引脚数量、包装数量、RoHS合规性、引脚镀层/球材料、MSL等级/峰值回流温度、工作温度范围和部件标记等信息，为工程师进行采购和生产提供了详细的参考。

总之，TCAN1042 - Q1系列汽车类CAN收发器以其丰富的特性、广泛的应用领域和详细的设计指导，为汽车电子工程师提供了一个可靠、高效的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择器件型号，精心设计电路和布局，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用这款收发器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。