汽车CAN FD收发器TCAN1051-Q1系列：性能、应用与设计要点

在汽车电子领域，CAN（Controller Area Network）总线作为一种广泛应用的通信协议，对于实现车辆各系统之间的数据传输和控制起着至关重要的作用。而CAN收发器则是CAN总线通信中的关键组件，它负责将微控制器的数字信号转换为适合在CAN总线上传输的差分信号，以及将总线上的差分信号转换回数字信号供微控制器处理。今天，我们就来详细介绍一下德州仪器（TI）的TCAN1051-Q1系列CAN收发器。

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一、产品概述

TCAN1051-Q1系列包括TCAN1051-Q1、TCAN1051V-Q1、TCAN1051H-Q1、TCAN1051HV-Q1、TCAN1051G-Q1、TCAN1051GV-Q1、TCAN1051HG-Q1和TCAN1051HGV-Q1等型号。这些收发器均符合AEC Q100标准，适用于汽车应用，工作温度范围为-40°C至125°C。它们满足ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007物理层标准，支持经典CAN和最高2 Mbps的CAN FD（Flexible Data Rate）通信，部分型号（带“G”后缀）还支持5 Mbps的数据速率。

二、关键特性

（一）电气特性与性能

1. ESD保护：具备出色的静电放电（ESD）保护能力，HBM分类等级达到±16 kV，CDM分类等级为±1500 V，能有效防止因静电引起的设备损坏。
2. 总线故障保护：非“H”变体的总线故障保护电压为±58 V，“H”变体则高达±70 V，增强了设备在复杂电气环境下的可靠性。
3. 电源保护：部分型号（带“V”后缀）具备(V{CC})和(V{IO})的欠压保护功能，确保在电源电压异常时设备能进入保护模式，避免对总线造成影响。
4. 低功耗与快速响应：正常模式下，电源电流较低，如正常模式（隐性）时(I_{CC})典型值为1.5 mA，最大值为2.5 mA。同时，具有短而对称的传播延迟时间和快速的环路时间，典型环路延迟为110 ns，有助于提高CAN网络的时序裕度和数据传输速率。

（二）功能特性

1. TXD主导超时（DTO）：在正常模式下，当TXD信号长时间保持主导状态时，DTO电路会自动禁用CAN总线驱动器，防止网络通信阻塞。当TXD出现隐性信号时，驱动器会重新激活，保证总线通信的正常进行。
2. 热关断（TSD）：当设备的结温超过热关断阈值（(T{TSD}=170°C)）时，CAN驱动器电路会自动关闭，总线终端偏置为隐性电平，而接收器到RXD的路径仍保持工作。当结温下降到低于热关断温度至少热关断迟滞温度（(T{TSD_HYS}=5°C)）时，关断状态解除。
3. 欠压锁定：当(V{CC})或(V{IO})电源端子出现欠压事件时，设备会进入保护模式，总线输出和RXD输出变为高阻抗状态，保护总线不受影响。
4. 无电源时的理想无源特性：当设备未供电时，总线终端（CANH、CANL）和逻辑终端的泄漏电流极低，不会对总线和其他电路造成负载，确保网络中部分节点未供电时其他节点仍能正常工作。
5. 浮动终端处理：关键终端（如TXD和S）具有内部上拉或下拉电阻，当终端浮空时，能使设备处于已知状态，提高系统的稳定性。
6. CAN总线短路电流限制：具备驱动器电流限制和TXD主导状态超时功能，可限制CAN总线短路时的电流，避免因短路故障导致设备损坏。

（三）通信特性

1. 支持多种数据速率：所有设备支持经典CAN和2 Mbps的CAN FD，带“G”后缀的型号支持5 Mbps的数据速率，满足不同应用场景的需求。
2. EMC性能：支持SAE J2962-2和IEC 62228-3（最高500 kbps）标准，无需共模扼流圈，减少了外部元件的使用，降低了成本和电路板空间。
3. I/O电压范围：I/O电压范围支持3.3 V和5 V的微控制器，具有良好的兼容性。

三、应用领域

（一）汽车与交通运输

该系列收发器适用于各种汽车电子系统，如发动机控制单元（ECU）、车身电子、底盘控制等，能满足高负载CAN网络的通信需求。

（二）重型机械ISOBUS应用

符合ISO 11783标准，可用于重型机械的通信网络，实现设备之间的可靠数据传输。

四、设计要点

（一）电源设计

设备的(V{CC})输入电源电压范围为4.5 V至5.5 V，部分型号的(V{IO})输入电源电压范围为3 V至5.5 V，且两个电源输入都需要良好的稳压。建议在CAN收发器的主(V{CC})电源输出附近放置一个4.7 μF的大容量电容，同时在设备的(V{CC})和(V_{IO})电源端子附近放置一个0.1 μF的旁路电容，以减少开关电源输出的电压纹波，补偿PCB电源平面和走线的电阻和电感。

（二）布局设计

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，如使用瞬态电压抑制（TVS）二极管或压敏电阻来增强ESD和瞬态保护能力。同时，可在CANH和CANL线上放置可选的总线滤波电容和串联共模扼流圈（CMC）。
2. 信号路径设计：按照信号路径设计总线保护组件，避免瞬态电流偏离信号路径，确保保护装置能有效发挥作用。
3. 电源和接地平面：使用电源（(V_{CC})）和接地平面提供低电感路径，因为高频电流会遵循阻抗最小的路径。
4. 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端子放置，使用至少两个过孔连接旁路电容和保护装置的电源和接地，以减少走线和过孔的电感。
5. 总线终端：采用120-Ω的电阻对CAN总线进行终端匹配，可使用单电阻终端或分裂终端（Split Termination）。分裂终端能改善总线共模电压的波动，提高网络的电磁兼容性。

（三）数字输入输出设计

1. 5-V (V_{CC})仅设备（无“V”后缀）：这类设备由单个5-V电源供电，数字输入具有TTL输入阈值，与5 V和3.3 V的微控制器兼容。RXD输出在逻辑高电平时驱动到(V{CC})，TXD引脚内部上拉到(V{CC})，S引脚下拉到GND。但在使用具有开漏TXD输出的CAN控制器时，需要使用适当的外部上拉电阻来确保CAN控制器输出到TXD输入的位时序。
2. 5 V (V{CC})带(V{IO}) I/O电平转换设备（有“V”后缀）：使用5 V (V{CC})电源为CAN驱动器和高速接收器模块供电，同时有一个用于I/O电平转换的(V{IO})电源。该电源用于设置TXD和S引脚的CMOS输入阈值以及RXD的高电平输出电压，TXD引脚内部上拉到(V_{IO})，S引脚下拉到GND。

五、总结

TCAN1051-Q1系列CAN收发器以其出色的电气性能、丰富的保护功能和良好的兼容性，为汽车和工业应用中的CAN总线通信提供了可靠的解决方案。在设计过程中，合理的电源设计、布局设计和数字输入输出设计对于确保设备的性能和稳定性至关重要。希望本文能为电子工程师在使用TCAN1051-Q1系列收发器进行设计时提供有益的参考。

你在使用TCAN1051-Q1系列收发器的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。