ISO1042隔离式CAN收发器：特性、应用与设计要点

在工业控制、汽车电子等众多领域，CAN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手段。而ISO1042隔离式CAN收发器作为一款关键的通信器件，为CAN总线系统提供了更强大的功能和更高的安全性。本文将深入探讨ISO1042的特性、应用场景以及设计过程中的要点。

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ISO1042特性剖析

通信标准与速率支持

ISO1042符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理层标准，这使得它能够广泛应用于各种遵循这些标准的CAN网络中。它不仅支持经典的最高1Mbps的CAN通信速率，还支持最高5Mbps的灵活数据速率（CAN FD），相比经典CAN，CAN FD模式可实现更为快速的载荷传输，满足了对数据传输速度要求较高的应用场景。

保护功能强大

• 总线故障保护：具备±70V直流总线故障保护电压，能够有效应对总线出现的过压故障，保护设备免受损坏。例如，在工业环境中，总线可能会受到各种电气干扰，导致电压异常升高，ISO1042的这一保护功能就可以确保设备的稳定运行。
• ESD容差：总线引脚的HBM ESD容差达到±16kV，这使得器件在面对静电放电时具有很强的抗干扰能力，减少了因静电引起的故障和损坏。
• 驱动器显性超时（TXD DTO）：该功能可以防止在硬件或软件故障时，TXD引脚长时间处于显性状态而阻塞网络通信。当TXD引脚保持显性状态超过预设的超时时间时，DTO电路会禁用CAN总线驱动器，释放总线供其他节点通信。
• 欠压保护：$V{CC1}$ 和$V{CC2}$ 欠压保护功能可以在电源电压不足时，将设备置于保护或默认模式，避免因不稳定的电源供应导致的错误传输。

电气性能优越

• 低环路延迟：环路延迟仅为152ns，这使得数据在传输过程中的延迟极小，提高了系统的实时性。在对实时性要求极高的工业自动化控制系统中，低环路延迟可以确保控制指令的及时响应，提高生产效率。
• 宽共模电压范围：共模电压范围达到±30V，能够适应不同的电气环境，减少了共模干扰对信号传输的影响。
• 高CMTI：CMTI（共模瞬态抗扰度）高达100kV/µs，这意味着器件在面对快速变化的共模电压时，能够保持稳定的工作状态，有效抑制共模干扰。
• 电源电压灵活性：$V{CC1}$ 电压范围为1.71V至5.5V，支持连接到CAN控制器的1.8V、2.5V、3.3V和5.0V逻辑接口；$V{CC2}$ 电压范围为4.5V至5.5V，这种电源电压的灵活性使得ISO1042能够与各种不同电压的设备兼容。

电磁兼容性良好

ISO1042具有优异的电磁兼容性（EMC），包括系统级ESD、EFT和浪涌抗扰性，以及低辐射特性。这使得它在复杂的电磁环境中能够稳定工作，减少对其他设备的干扰，同时也能抵抗外界的电磁干扰。

封装与认证丰富

提供16 - SOIC和8 - SOIC封装选项，方便不同的应用需求进行选择。此外，还有可用的汽车版本ISO1042 - Q1，适用于汽车电子等对可靠性要求较高的领域。并且，该器件获得了多项安全相关认证，如符合DIN VDE V 0884 - 11:2017 - 01标准的$7071V{PK} V{IOTM}$ 和$1500V{PK} V{IORM}$（增强型和基本型选项）、UL 1577标准下长达1分钟的$5000V_{RMS}$ 隔离、IEC 60950 - 1、IEC 60601 - 1和EN 61010 - 1认证以及CQC、TUV和CSA认证等，为产品的安全性和可靠性提供了保障。

应用场景广泛

工业控制领域

在交流和伺服驱动器、PLC和DCS通信模块、工业电源等工业控制设备中，ISO1042的高可靠性、抗干扰能力和宽共模电压范围使其成为理想的选择。它能够确保设备间的稳定通信，提高工业生产的自动化水平和生产效率。

能源领域

在光伏逆变器、电池充电和管理系统中，ISO1042可以有效隔离不同电路之间的电气连接，防止干扰和故障的传播，提高能源转换和管理的效率和安全性。

交通运输领域

在升降机和自动扶梯等设备中，ISO1042的快速数据传输能力和保护功能可以确保设备的安全运行和实时监控，为乘客提供可靠的服务。

设计要点与注意事项

电源设计

为了确保ISO1042在所有数据速率和电源电压下都能可靠运行，建议在输入和输出电源引脚（$V{CC1}$ 和$V{CC2}$）处使用0.1 - µF的旁路电容，并将其尽可能靠近电源引脚放置。此外，在$V_{CC2}$ 电源引脚附近还应放置一个典型值为4.7 μF的大容量电容。如果应用中只有单个初级侧电源，可借助变压器驱动器（如TI的SN6505B）为次级侧生成隔离电源。

总线设计

• 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为40m和最大分支长度为0.3m，但通过精心设计，用户可以使用更长的电缆、更长的分支长度和更多的节点。ISO1042具有较高的输入阻抗，理论上支持在单个总线段上连接多达100个收发器，但在实际设计中，需要考虑信号损失、寄生负载、网络不平衡、接地偏移和信号完整性等因素，因此实际的最大节点数量通常要低得多。
• CAN终端匹配：ISO11898标准规定互连应使用具有120 - Ω特性阻抗的单根双绞线电缆（屏蔽或非屏蔽），应使用等于线路特性阻抗的电阻来端接电缆的两端，以防止信号反射。未端接的分支线应尽可能短，以减少信号反射。如果需要对总线的共模电压进行滤波和稳定，可以使用分割终端匹配。

PCB布局设计

• 层叠结构：为了实现低EMI的PCB设计，建议使用至少四层的电路板，层叠顺序应为高速信号层、接地层、电源层和低频信号层。
• 布线规则：将高速走线布置在顶层，避免使用过孔，以减少电感的引入，并确保隔离器与数据链路的发射器和接收器电路之间的互连清晰。将实心接地层放置在高速信号层旁边，为传输线互连建立受控阻抗，并为回流电流提供低电感路径。将电源层放置在接地层旁边，可创建约$100 pF / in^{2}$ 的额外高频旁路电容。将低速控制信号布线在底层，以提供更大的灵活性。
• 电容和二极管放置：建议将$V{CC2}$ 旁路电容放置在顶层，并尽可能靠近器件引脚，避免使用过孔连接到$V{CC2}$ 和$GND2$ 引脚。对于SOIC - 16封装，需要在每个$V_{CC2}$ 引脚处放置一个旁路电容。

总结

ISO1042隔离式CAN收发器以其卓越的性能、丰富的保护功能和广泛的应用场景，为CAN总线系统的设计提供了强大的支持。在实际设计过程中，工程师需要充分考虑其特性和要求，合理进行电源设计、总线设计和PCB布局设计，以确保系统的稳定性、可靠性和高性能。你在使用ISO1042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。