深入解析SN65HVD23x 3.3-V CAN总线收发器

在工业自动化、电机控制等领域，CAN总线凭借其高可靠性、实时性和多主通信的优势，成为了数据传输的重要手段。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的SN65HVD23x系列3.3-V CAN总线收发器，看看它有哪些独特之处，以及在实际应用中该如何设计。

文件下载：sn65hvd230.pdf

一、产品概述

SN65HVD23x系列包括SN65HVD230、SN65HVD231和SN65HVD232三款CAN总线收发器，它们均符合ISO 11898-2高速CAN物理层标准，适用于数据速率高达1 Mbps的应用场景。这些收发器专为与TI的3.3 V微处理器（µPs）、微控制器（MCUs）和数字信号处理器（DSPs）配合使用而设计，同时具备多种保护功能，能有效提高设备和CAN网络的鲁棒性。

二、产品特性

2.1 电源与兼容性

• 单3.3 V电源供电：降低了系统功耗，适合低功耗应用。
• 符合ISO 11898-2标准：确保了与其他符合该标准的设备的兼容性。
• 可替代PCA82C250：提供了低功耗的替代方案。

2.2 保护特性

• 总线引脚ESD保护：超过±16 kV HBM，有效防止静电对设备的损害。
• 热关断保护：当温度过高时，自动关闭驱动器，保护设备安全。
• 开路故障安全设计：确保在总线开路时，接收器输出逻辑高电平。
• 无毛刺上电和掉电保护：适用于热插拔应用，避免在插拔过程中对总线造成干扰。

2.3 其他特性

• 高输入阻抗：允许总线上连接多达120个节点。
• 可调驱动器转换时间：通过调整(R_{S})引脚连接的电阻值，可以控制驱动器的上升和下降斜率，改善电磁辐射性能。
• 低功耗模式：SN65HVD230具有低电流待机模式（典型值370 μA），SN65HVD231具有超低电流睡眠模式（典型值40 nA）。

三、应用领域

• 工业自动化与控制：如传感器和驱动系统、电机和机器人控制等。
• 建筑与气候控制（HVAC）：实现对建筑物内环境的智能控制。
• 电信与基站控制：确保通信设备的稳定运行。
• CAN总线标准应用：如CANopen、DeviceNet和CAN Kingdom等。

四、详细描述

4.1 功能模式

SN65HVD230和SN65HVD231的(R_{S})引脚提供三种不同的工作模式：

• 高速模式：将(R_{S})引脚连接到地，允许发射器输出晶体管尽可能快地开关，适用于对速度要求较高的工业应用。
• 斜率控制模式：通过在(R_{S})引脚和地之间串联一个电阻，可以调整驱动器输出的上升和下降斜率，降低电磁干扰。例如，使用10 kΩ电阻时，设备的压摆率约为15 V/μs；使用100 kΩ电阻时，压摆率约为2 V/μs。
• 低功耗模式：
  • SN65HVD230：当(R_{S})引脚施加高逻辑电平时，进入低电流待机模式（仅监听），此时驱动器关闭，接收器保持活动状态。
  • SN65HVD231：当(R{S})引脚施加高逻辑电平时，进入超低电流睡眠模式，驱动器和接收器均关闭，直到(R{S})引脚施加低逻辑电平重新激活。

4.2 引脚配置与功能

引脚名称	引脚编号	类型	描述
D	1	输入	CAN发送数据输入（低电平表示显性，高电平表示隐性总线状态）
GND	2	接地	接地连接
VCC	3	电源	收发器3.3V电源电压
R	4	输出	CAN接收数据输出（低电平表示显性，高电平表示隐性总线状态）
Vref	5	输出	SN65HVD230和SN65HVD231：VCC / 2参考输出引脚
CANL	6	输入/输出	低电平CAN总线线路
CANH	7	输入/输出	高电平CAN总线线路
RS	8	输入	SN65HVD230和SN65HVD231：模式选择引脚
NC	-	-	SN65HVD232：无连接

五、应用与实现

5.1 典型应用

在典型的CAN网络中，主机微处理器的CAN控制器输出（TXD）连接到收发器的驱动器输入（D引脚），收发器的接收器输出（R引脚）连接到CAN控制器的输入（RXD）。收发器通过CANH和CANL引脚连接到差分总线线路，总线通常是一对特性阻抗为120 Ω的双绞线，采用标准的半双工多点拓扑结构，总线两端各连接一个120 Ω的电阻进行终端匹配，以减少信号反射。

5.2 设计要点

• CAN终端匹配：使用120 Ω电阻进行终端匹配，可采用标准终端或分裂终端（两个60 Ω电阻中间通过电容接地），分裂终端能提供共模滤波。
• 环路传播延迟：收发器的环路延迟是衡量设备整体传播延迟的指标，包括驱动器输入到差分输出的延迟以及接收器输入到输出的延迟。在斜率控制模式下，驱动器输出斜率变慢，环路延迟会增加，需要在总线长度和驱动器输出斜率之间进行权衡。
• 总线负载、长度和节点数量：ISO11898标准规定了数据速率、最大总线长度、最大分支长度和最大节点数量，但通过精心设计网络，可以增加电缆长度、分支长度和节点数量。SN65HVD23x系列支持在单个总线段上连接多达120个收发器。

六、电源与布局建议

6.1 电源建议

为确保在所有数据速率和电源电压下可靠运行，每个CAN收发器的(V{CC})电源引脚应使用一个100-nF陶瓷电容进行去耦，电容应尽可能靠近(V{CC})和GND引脚。推荐使用TPS76333线性稳压器提供3.3-V电源。

6.2 布局指南

• 保护和滤波电路设计：在PCB设计中，应优先设计保护和滤波电路，采用高频布局技术，使用外部瞬态保护设备（如瞬态电压抑制器TVS），并将其放置在总线连接器处，防止瞬态信号进入PCB和系统。
• 电源和接地平面：使用(V_{CC})和接地平面提供低电感路径，因为高频电流会遵循电感最小的路径。
• 总线保护组件布局：总线瞬态保护和滤波组件应尽可能靠近总线连接器，以防止瞬态、ESD和噪声干扰其他设备。
• 终端匹配布局：如果终端匹配电阻放置在电路板上，应确保终端节点不会从总线上移除，以免影响总线信号完整性。
• 旁路和去耦电容：旁路和大容量电容应尽可能靠近收发器的电源引脚，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。
• 数字线路处理：可使用串联电阻限制数字线路的电流，使用电容过滤数字IO线路上的噪声。对于浮空引脚，应使用外部1k至10k欧姆的上拉或下拉电阻进行偏置。

七、总结

SN65HVD23x系列3.3-V CAN总线收发器凭借其丰富的特性和良好的兼容性，为工业自动化、通信等领域的CAN网络设计提供了可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体需求选择合适的工作模式，合理设计终端匹配、电源和布局，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，我们也要注意静电放电对设备的影响，采取必要的防护措施。希望本文能对大家在CAN总线收发器的设计和应用中有所帮助。

各位工程师朋友，在使用SN65HVD23x系列收发器的过程中，你们遇到过哪些问题或有什么独特的经验呢？欢迎在评论区分享交流。