具有极性控制功能的TCAN4420 CAN收发器：特性、应用与设计要点

在电子工程领域，CAN收发器作为高速控制器局域网（CAN）的关键组件，对于实现可靠的数据通信起着至关重要的作用。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）推出的TCAN4420 CAN收发器，详细介绍其特性、应用场景以及设计过程中的关键要点。

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一、TCAN4420特性概览

1. 标准兼容性

TCAN4420符合ISO 11898 - 2 (2016)物理层标准要求，这确保了它能够与遵循该标准的其他设备进行无缝通信，为系统的兼容性提供了坚实的保障。

2. 极性控制功能

通过SW（开关）引脚进行外部极性控制，可将极性切换为CAN总线的正常（默认）或反向配置。这一特性为设计带来了更大的灵活性，特别是在处理一些特殊的总线连接需求时，能够有效地解决极性不匹配的问题。

3. 双电源设计

采用双电源供电，5V $V{CC}$ 引脚为CAN驱动器和接收器供电，2.8V至5V $V{IO}$ 引脚为RXD、TXD和SW引脚供电。这种设计使得该收发器能够适应不同的电源需求，同时也为与不同电压等级的微控制器连接提供了便利。

4. 宽运行范围

具备±46V总线故障保护、±12V共模范围以及 - 40°C至125°C的环境温度范围，使其能够在恶劣的工业环境中稳定工作，有效提高了系统的可靠性和抗干扰能力。

5. 保护特性丰富

• ESD保护：人体放电模型（HBM）ESD保护高达±12kV，能够有效防止静电对器件造成损坏。
• 电源欠压保护：$V{CC}$ 和 $V{IO}$ 电源欠压保护，确保在电源电压异常时，器件能够进入保护模式，避免因电压过低而导致的故障。
• TXD显性超时（TXD DTO）：支持低至9.2kbps的数据速率，防止因TXD长时间处于显性状态而导致总线被锁定，保障了网络通信的正常进行。
• 热关断保护（TSD）：当器件的结温超过热关断阈值时，自动关闭CAN驱动器电路，防止器件因过热而损坏。

6. 未上电性能优化

在未上电时，总线和逻辑终端处于高阻态，对运行总线或应用无负载，且上电/断电无毛刺脉冲运行，减少了对其他设备的干扰。

7. 快速循环时间

快速循环时间为150ns，能够满足高速数据通信的需求，提高了系统的响应速度。

二、应用场景

TCAN4420在楼宇自动化领域有着广泛的应用，具体包括：

1. 楼宇安全网关

用于连接不同的安全设备，如门禁系统、监控摄像头等，实现数据的可靠传输和集中管理，确保楼宇的安全。

2. HVAC网关和系统控制器

在暖通空调（HVAC）系统中，作为网关和系统控制器的关键组件，实现对温度、湿度等参数的精确控制和数据通信。

3. 电梯主面板

为电梯主面板与其他部件之间的通信提供支持，确保电梯的安全运行和高效控制。

三、详细规格解析

1. 绝对最大额定值

涵盖了电源电压、总线电压、逻辑输入电压等多个参数的最大额定值，如$V{CC}$ 电源电压范围为 - 0.3V至6V，$V{IO}$ 电源电压范围同样为 - 0.3V至6V，这些参数为设计人员在选择电源和其他外部电路时提供了重要的参考依据。

2. ESD评级

包括人体放电模型（HBM）和带电设备模型（CDM）的ESD评级，以及系统级ESD测试结果。例如，CAN总线终端（CANH，CANL）的HBM ESD保护高达±12000V，这表明该器件具有较强的抗静电能力。

3. 推荐工作条件

明确了器件在正常工作时的电源电压、环境温度等参数范围，如$V{CC}$ 推荐工作电压为4.5V至5.5V，$V{IO}$ 推荐工作电压为2.8V至5.5V，环境温度范围为 - 40°C至125°C。遵循这些推荐工作条件，能够确保器件的性能和可靠性。

4. 热信息

提供了器件的热阻、热特性参数等信息，如结到环境的热阻$R{θJA}$ 为114°C/W，结到板的热阻$R{θJB}$ 为59.2°C/W。这些参数对于散热设计至关重要，能够帮助设计人员合理选择散热方式和散热器件。

5. 电源特性

详细描述了器件在不同工作模式下的电源电流、功耗等特性，如正常模式下的电源电流在显性状态和隐性状态下分别为不同的值，以及平均功耗在不同条件下的变化情况。了解这些电源特性，有助于优化系统的电源设计，降低功耗。

6. 交直流电气特性

包括驱动器和接收器的电气特性，如总线输出电压、输入阈值电压、共模范围等。这些特性直接影响着器件的通信性能，设计人员需要根据实际需求进行合理的设计和调整。

7. 时序要求

规定了器件的各种时序参数，如传播延迟时间、脉冲宽度、上升时间、下降时间等。严格满足这些时序要求，是确保数据准确传输的关键。

8. 典型特性

通过图表展示了器件在不同温度、电源电压等条件下的典型特性，如$V_{OD(D)}$ 随温度和电源电压的变化情况，以及总环路延迟随温度的变化情况。这些典型特性为设计人员在实际应用中评估器件性能提供了直观的参考。

四、功能描述

1. 概述

TCAN4420作为一款高速CAN收发器，集成了多种保护特性，支持通过微控制器由SW引脚从外部控制CAN总线极性，同时具备电平转换功能，消除了主机微处理器与CAN收发器RXD输出之间额外电平转换器的需求。

2. 功能框图

通过功能框图，我们可以清晰地了解器件的内部结构和信号流程，为深入理解器件的工作原理提供了直观的依据。

3. 特性描述

• TXD显性超时（DTO）：当TXD长时间处于显性状态时，DTO电路会自动禁用CAN总线驱动器，释放总线，确保网络通信的正常进行。当TXD恢复为隐性状态时，驱动器重新激活。
• CAN总线短路电流限制：该器件具备多种保护特性，能够限制CAN总线短路时的电流。通过计算平均短路电流，设计人员可以合理选择网络组件的功率额定值，确保系统的安全性和可靠性。
• 热关断：当器件的结温超过热关断阈值时，自动关闭CAN驱动器电路，防止器件因过热而损坏。当结温下降到热关断温度以下时，关闭条件解除。
• 欠压锁定（UVLO）：$V{CC}$ 和 $V{IO}$ 电源欠压检测电路能够在电源电压异常时将器件置于保护模式，保护总线免受影响。同时，器件还支持单独的$V_{IO}$ 电源引脚，可根据微控制器的电源电压进行设置。

4. 器件功能模式

• 极性配置：支持两种极性配置，通过将SW引脚连接到GND或$V_{IO}$ ，可以实现CAN引脚的正常或反向连接。在改变SW引脚状态后，需要等待一段时间（tMODE）才能读取总线或RXD引脚。
• 正常极性模式：这是器件的正常配置，CAN驱动器和接收器完全正常工作，CAN通信双向进行。
• 反向极性模式：当SW引脚连接到$V{IO}$ 时，器件进入反向极性模式，此时驱动器和接收器仍然正常工作，但$V{OD}$ 和 $V_{ID}$ 的定义发生改变。
• 驱动器和接收器功能：详细描述了驱动器和接收器在不同模式下的输入输出特性，以及CAN总线状态与RXD引脚输出的对应关系。
• 浮动终端：器件在关键终端上具有内部上拉和下拉电阻，确保在终端浮动时器件处于已知状态。但在实际应用中，特别是在噪声环境下，不能仅仅依赖内部偏置，还需要采取额外的保护措施。

五、应用与实现

1. 应用信息

TCAN4420通常与包含CAN协议数据链路层部分的主机微处理器或FPGA配合使用，适用于5V和3.3V微处理器应用。在设计CAN网络系统时，需要进行一系列的权衡，如数据速率、电缆长度、节点数量等。

2. 典型应用

• 设计要求：CAN应用的典型总线长度为40米，最大分支长度为0.3米，但通过精心设计，可以实现更长的电缆、更长的分支长度和更多的节点。TCAN4420具有高输入阻抗，能够满足高节点数量的需求。同时，不同的CAN系统级规范对数据速率、电缆长度和总线寄生负载进行了权衡，设计人员需要根据实际需求进行选择。
• 详细设计过程
  • CAN终端：ISO 11898标准规定，CAN总线应使用120Ω的终端电阻来防止信号反射。可以采用单电阻终端或分裂终端，分裂终端能够提供共模滤波，改善网络的电磁发射性能。
  • 应用曲线：通过$I{CC}$ 显性电流随$V{CC}$ 电源电压的变化曲线，设计人员可以了解器件在不同电源电压下的功耗情况，优化电源设计。

六、电源供应建议

为确保TCAN4420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，并且电容应尽可能靠近电源引脚。这样可以减少开关模式电源输出的电压纹波，补偿PCB电源平面的电阻和电感。

七、布局设计要点

在PCB设计中，为了保护器件免受工业环境中可能出现的瞬态干扰，需要采用外部瞬态保护器件，并应用高频布局技术。具体要点如下：

1. 布局准则

• 将保护和滤波电路尽可能靠近总线连接器，防止瞬态、ESD和噪声传播到电路板上。
• 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。
• 使用电源和接地平面提供低电感，确保高频电流能够沿着低阻抗路径流动。
• 对于旁路电容和保护器件的电源和接地连接，使用至少两个过孔，以减少走线和过孔的电感。
• 将旁路电容尽可能靠近收发器的电源端子，如$V{CC}$ 电源上的C1和$V{IO}$ 电源上的C5。
• 采用分裂终端提供共模滤波，同时注意终端电阻的功率额定值和放置位置，避免终端节点被移除时导致终端电阻丢失。
• 可以使用串联电阻限制数字线路的电流，但这不是必需的。对于TXD输入，如果使用开漏主机处理器，需要使用电阻确保满足器件的位时序要求。

2. 布局示例

通过布局示例，我们可以直观地了解如何应用上述布局准则，实现一个可靠的CAN总线节点设计。

八、器件和文档支持

1. 器件支持

该器件遵循ISO11898 - 2和ISO11898 - 5等CAN标准，同时提供了一致性测试要求的参考资料，帮助设计人员全面了解CAN协议和器件的兼容性。

2. 接收文档更新通知

设计人员可以通过导航至TI.com上的器件产品文件夹，注册接收产品信息更改摘要，及时了解文档的更新情况。

3. 社区资源

TI E2E™在线社区为工程师提供了一个交流和协作的平台，设计人员可以在社区中咨询问题、分享知识、拓展思路，共同解决设计中遇到的问题。

4. 商标和静电放电警告

了解相关商标信息和静电放电警告，确保在使用器件过程中遵守相关规定，避免因静电放电对器件造成损坏。

九、机械、封装和可订购信息

详细介绍了器件的机械尺寸、封装形式、引脚数量、包装数量、RoHS合规性、引脚镀层/球材料、MSL评级/峰值回流温度、工作温度范围和部件标记等信息，为设计人员在选择器件和进行生产时提供了全面的参考。

十、总结

TCAN4420作为一款功能强大的CAN收发器，具有诸多优异的特性和丰富的保护功能，适用于多种应用场景。在设计过程中，设计人员需要深入了解器件的规格、功能和应用要求，遵循电源供应建议和布局设计要点，同时充分利用器件和文档支持资源，确保设计出可靠、高效的CAN网络系统。希望本文能够为电子工程师在使用TCAN4420进行设计时提供有价值的参考和指导。

你在使用TCAN4420进行设计的过程中遇到过哪些问题？你对本文中提到的哪些内容感兴趣？欢迎在评论区留言分享你的经验和想法。