深入剖析TCAN1051系列CAN收发器：特性、应用与设计要点

在当今的电子系统中，控制器局域网络（CAN）因其高可靠性和实时性，在汽车、工业自动化等多个领域得到了广泛应用。而CAN收发器作为CAN总线与控制器之间的关键接口，其性能直接影响着整个网络的稳定性和数据传输效率。TI的TCAN1051系列CAN收发器就是这样一款性能卓越的产品，本文将对其进行详细的解读，探讨其特性、应用场景以及设计过程中的要点。

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一、核心特性解析

1. 标准兼容性与性能优势

TCAN1051系列符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理层标准，为系统设计提供了坚实的标准基础。所有器件均支持经典CAN和2Mbps CAN FD（灵活数据速率），其中“G”选项更是支持高达5Mbps的数据速率，能够满足不同应用场景对数据传输速度的需求。此外，它具有较短的对称传播延迟时间和快速循环次数，有效增加了时序裕量，能够在有负载的CAN网络中实现更快的数据速率。

2. 电源与电平兼容性

该系列产品的I/O电压范围支持3.3V和5V MCU，这种广泛的电压支持使得它能与多种微控制器无缝连接，提高了系统设计的灵活性。同时，在未供电时，其总线和逻辑引脚处于高阻态（无负载），并且能在总线和RXD输出上实现上电/断电无干扰运行，减少了对其他设备的影响。

3. 全面的保护特性

在电子设备的实际应用中，各种异常情况可能会对设备造成损害，因此保护特性至关重要。TCAN1051系列具备一系列完善的保护特性，包括HBM ESD保护达±16kV，IEC ESD保护高达±15kV，能够有效抵御静电放电的影响；总线故障保护方面，非H型号为±58V，H型号为±70V，可防止总线电压异常对设备造成损坏；$V_{CC}$ 和VIO（仅限V型号）电源终端具有欠压保护，避免因电压过低导致设备工作异常；驱动器显性超时（TXD DTO）功能可在数据速率低至10kbps时正常工作，防止因TXD长时间保持显性状态而阻塞网络通信；热关断保护（TSD）则能在器件温度过高时自动关闭CAN驱动电路，保护器件安全。

4. 封装与温度适应性

该系列产品采用SOIC (8) 封装和无引线VSON (8) 封装（3.0mm x 3.0mm），具有改进的自动光学检查（AOI）功能，便于生产加工。同时，其结温范围为 –55°C至150°C，能够适应各种恶劣的工作环境。

二、多元应用场景

TCAN1051系列的优异性能使其在众多领域都有广泛的应用。在工业自动化领域，可用于控制、传感器和驱动系统，实现设备之间的可靠通信；在楼宇、安全和温度控制自动化系统中，能够确保各个节点之间的数据准确传输；在电信基站状态和控制方面，为基站的稳定运行提供保障。此外，它还支持诸如CANopen、DeviceNet、NMEA2000、ARNIC825、ISO11783、CANaerospace等多种CAN总线标准，适用于各种高负载CAN网络，如重型机械ISOBUS应用ISO 11783。

三、器件信息与规格

1. 封装与引脚功能

该系列产品提供多种封装形式，如SOIC(8)和VSON(8)。不同型号的引脚功能有所差异，例如引脚5在不含V后缀的器件上为无连接（NC）引脚，在包含V后缀的器件上为用于I/O电平转换的$VIO$引脚；RXD逻辑输出在不含“V”后缀的器件上驱动为$VCC$，而在包含“V”后缀的器件上驱动为$V_{IO}$。这种引脚设计的差异为不同的应用需求提供了更多的选择。

2. 规格参数

从绝对最大额定值来看，不同电源和引脚的电压范围都有明确规定，如$V{CC}$的范围为 - 0.3V至7V，VBUS在不同型号下也有不同的限制值。ESD评级方面，无论是人体模型（HBM）、带电设备模型（CDM）还是系统级静电放电和电气快速瞬变测试，都有相应的指标，确保了器件在不同环境下的抗干扰能力。推荐的工作条件规定了$V{CC}$和$V_{IO}$的电压范围，以及RXD的输出电流等参数，为设计师提供了准确的设计参考。

四、详细功能描述

1. TXD显性超时（DTO）

在正常模式下，TXD DTO电路能有效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电路计时器开始计时，如果在超时时间$t_{TXDDTO}$内未出现上升沿，CAN总线驱动器将被禁用，释放总线供其他节点通信。当TXD出现隐性信号时，CAN驱动器将重新激活。不过，需要注意的是，TXD DTO电路允许的最小显性时间限制了器件的最小传输数据速率，可通过公式“Minimum Data Rate = 11 / $t{TXD_DTO}$”计算。

2. 热关断（TSD）

当器件的结温超过热关断阈值（$T{TSD}$）时，器件会自动关闭CAN驱动电路，阻止TXD到总线的传输路径。此时，CAN总线终端被偏置到隐性电平，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（$T{TSD}$）至少热关断滞后温度（$T_{TSD_HYS}$）时，关断条件将被清除。

3. 欠压锁定

$V{CC}$或$V{IO}$电源终端的欠压检测功能可将器件置于保护模式，保护总线免受欠压事件的影响。不同电压状态下，器件的总线输出和RXD状态会根据是否带有“V”后缀而有所不同。一般来说，在欠压条件清除且电源恢复到有效电平后，器件通常会在50µs内恢复正常运行。

4. 无供电状态

该系列器件设计为在无供电时对CAN总线呈现“理想无源”或“无负载”状态。总线终端（CANH、CANL）和逻辑终端在无供电时具有极低的泄漏电流，避免对其他设备造成负载影响，这对于部分节点无供电而网络其余部分仍在运行的情况尤为重要。

5. 浮动终端

为确保器件在终端浮动时处于已知状态，关键终端设有内部上拉电阻。TXD终端被上拉到$V{CC}$或$V{IO}$，以确保在浮动时输入为隐性电平；S终端被下拉，使器件在浮动时进入正常模式。

6. CAN总线短路电流限制

该器件具备两种保护功能来限制CAN总线线路短路故障时的短路电流，即驱动器电流限制（显性和隐性状态）和TXD显性状态超时功能，防止系统故障时显性状态的短路电流过高。总线的短路电流取决于隐性和显性位的比例及其各自的短路电流，可通过公式“$I_{OS(AVG)} = %Transmit times [(%RECBits times I{OS(SS)_REC}) + (%DOMBits times I{OS(SS)DOM})] + [%Receive times I{OS(SS)_REC}]$”计算平均短路电流。在设计网络时，需要考虑短路电流和可能的故障情况，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

对于5 - V $V{CC}$ 仅器件（无“V”后缀），由单一5 - V电源供电，数字输入具有TTL输入阈值，兼容5V和3.3V，RXD输出在逻辑高电平时驱动到$V{CC}$ 。而对于5 - V $V{CC}$ 带有$V{IO}$ I/O电平转换的器件（有“V”后缀），使用5V $V{CC}$ 为CAN驱动器和高速接收器供电，同时有第二个$V{IO}$ 电源用于设置TXD和S引脚的CMOS输入阈值以及RXD高电平输出电压。

8. 器件功能模式

该器件主要有正常模式和静音模式两种工作模式，通过S输入终端进行选择。在正常模式下，CAN驱动器和接收器均正常工作，实现双向通信；在静音模式下，CAN驱动器禁用，仅接收器工作，可继续接收CAN总线的通信信息。

五、应用设计要点

1. 总线负载与节点设计

ISO 11898 - 2标准规定了最大总线长度和最大分支长度，但在实际设计中，通过合理设计可以延长电缆长度和增加节点数量。TCAN1051系列具有较高的输入阻抗，理论上支持在单个总线段上最多连接100个收发器，但实际应用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，因此实际节点数量通常会较低。

2. CAN终端设计

为防止信号反射，ISO 11898标准建议使用与线路特性阻抗相等的电阻（通常为120Ω）来终止电缆两端。也可采用分裂终端设计，以改善网络的电磁发射行为。在设计时，需要注意终端的位置，确保无论节点是否移除，网络上始终有两个终端。

3. 电源与布局设计

器件的$V{CC}$输入电源电压范围为4.5V至5.5V，部分器件的$V{IO}$输出电平转换电源输入范围为3V至5.5V，两个电源输入都需要良好的稳压。在布局方面，应将保护和滤波电路靠近总线连接器，使用电源和接地平面提供低电感，旁路和大容量电容器应尽可能靠近收发器的电源终端。同时，可使用串联电阻限制数字线路的电流，对于不同的引脚也需要根据器件型号进行合理处理。

六、总结

TCAN1051系列CAN收发器凭借其丰富的特性、广泛的应用场景和完善的保护机制，为CAN总线系统的设计提供了一个可靠而灵活的解决方案。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的需求和场景，合理选择器件型号，注意设计要点，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为工程师们在使用TCAN1051系列产品时提供有益的参考，你在使用该系列产品时是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享交流。