TCAN1051-Q1汽车类CAN收发器：特性、应用与设计要点

在汽车电子领域，CAN（Controller Area Network）总线作为一种可靠的通信协议，广泛应用于各种汽车系统中。而CAN收发器则是实现CAN总线通信的关键组件之一。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的TCAN1051-Q1系列CAN收发器，它具有CAN FD和故障保护功能，能够满足汽车应用的严格要求。

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特性剖析

汽车标准与兼容性

TCAN1051-Q1系列完全符合AEC Q100标准，这意味着它能够适应汽车应用的恶劣环境。其温度等级1覆盖了 -40°C 至 125°C 的范围，HBM分级等级达到 ±16kV，CDM分级等级为 ±1500V，确保了在不同温度和静电环境下的稳定性。同时，该系列符合ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007物理层标准，并且提供功能安全型，为系统设计提供了有力支持。

高速数据传输

“Turbo”CAN功能是该系列的一大亮点。所有器件均支持经典CAN和2Mbps CAN FD（灵活数据速率），而带有“G”选项的器件更是支持高达5Mbps的数据速率。此外，它还具有较短的对称传播延迟时间和快速循环次数，能够增加时序裕量，在有负载CAN网络中实现更快的数据速率。

出色的EMC性能

在电磁兼容性（EMC）方面，TCAN1051-Q1系列表现出色。它支持SAE J2962-2和IEC 62228-3标准，在最高500kbps的数据速率下无需共模扼流圈，降低了系统成本和复杂度。

宽电压范围与理想无源行为

该系列的I/O电压范围支持3.3V和5V MCU，具有很强的兼容性。未供电时，器件呈现理想无源行为，总线和逻辑引脚处于高阻态，无负载，并且在总线和RXD输出上实现上电/断电无干扰运行，提高了系统的可靠性。

全面的保护特性

为了确保器件和网络的耐用性，TCAN1051-Q1系列具备多种保护特性。IEC ESD保护高达 ±15kV，总线故障保护可达 ±58V（非H型号）和 ±70V（H型号），$V{CC}$ 和 $V{IO}$（仅限V型号）电源终端具有欠压保护，驱动器显性超时（TXD DTO）可防止长时间显性状态，热关断保护（TSD）则能在温度过高时自动关闭驱动器。

应用领域

TCAN1051-Q1系列适用于各种汽车和运输应用，包括高负载CAN网络、重型机械ISOBUS应用（ISO 11783）等。其出色的性能和可靠性能够满足这些应用对数据传输和系统稳定性的严格要求。

器件信息

封装形式

该系列采用SOIC（8）封装和无引线VSON（8）封装（3.0mm x 3.0mm），其中VSON封装具有改进的自动光学检查（AOI）功能，方便生产制造。

引脚配置与功能

不同型号的器件在引脚配置上略有差异，但主要引脚功能基本一致。TXD为CAN发送数据输入，GND为接地连接，VCC为5V电源输入，RXD为CAN接收数据输出，CANH和CANL为CAN总线输入/输出线，S为静音模式控制输入。

技术规格

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。该系列的电源电压范围、CAN总线I/O电压范围、逻辑输入/输出终端电压范围等都有明确的规定，超出这些范围可能会导致器件损坏。

ESD Ratings

在静电放电（ESD）方面，该系列具有较高的防护等级。不同封装形式的器件在人体模型（HBM）、充电器件模型（CDM）和机器模型等测试条件下都有相应的ESD应力电压指标，确保了器件在实际应用中的可靠性。

推荐工作条件

为了保证器件的正常工作，推荐在特定的电压、电流和温度范围内使用。例如，Vcc的推荐电压范围为4.5V至5.5V，Vio的推荐范围为2.8V至5.5V。

热信息

热信息对于评估器件的散热性能和可靠性非常重要。该系列提供了多种热指标，如结到空气、结到板、结到壳等的热阻，以及热关断温度和热关断滞回温度等参数。

功率额定值

了解器件的功率消耗和功率额定值有助于合理设计电源和散热系统。该系列在不同的测试条件下给出了平均功率耗散的指标，为系统设计提供了参考。

电气特性

电气特性是评估器件性能的关键指标。该系列详细列出了电源电流、I/O电源电流、输入/输出电压、短路电流等参数，为工程师进行电路设计和性能优化提供了依据。

开关特性

开关特性对于高速数据传输和信号处理非常重要。该系列给出了总环路延迟、模式切换时间、传播延迟时间、脉冲偏斜、上升/下降时间等参数，确保了信号的准确传输和处理。

典型特性

典型特性曲线能够直观地展示器件在不同条件下的性能表现。该系列提供了如差分输出电压随温度和电源电压的变化曲线，以及总环路延迟随温度的变化曲线等，帮助工程师更好地了解器件的性能。

详细描述

功能概述

TCAN1051-Q1系列满足ISO11898-2（2016）高速CAN物理层标准，专为CAN FD网络设计，数据速率超过1Mbps。它提供了多种保护功能，增强了器件和CAN网络的鲁棒性。

功能框图

功能框图能够清晰地展示器件的内部结构和工作原理。通过功能框图，工程师可以更好地理解器件的各个模块之间的关系，为系统设计提供参考。

特性描述

TXD Dominant Timeout（DTO）功能可以防止在硬件或软件故障时，TXD长时间保持显性状态，从而阻塞网络通信。当TXD的显性时间超过设定的超时时间时，驱动器将被禁用，释放总线供其他节点通信。

Thermal Shutdown（TSD）功能可以在器件的结温超过热关断阈值时，自动关闭CAN驱动电路，保护器件不受过热损坏。当结温下降到热关断滞回温度以下时，器件将恢复正常工作。

Undervoltage Lockout功能可以在电源电压低于设定阈值时，将器件置于保护模式，防止器件在低电压下工作不稳定。当电源电压恢复正常后，器件通常会在50μs内恢复正常工作。

Unpowered Device特性使得器件在未供电时对CAN总线呈现“理想无源”或“无负载”状态，避免对总线造成额外负载。

Floating Terminals特性通过在关键引脚上设置内部上拉电阻，确保在引脚浮空时器件处于已知状态。

CAN Bus Short Circuit Current Limiting功能可以在CAN总线发生短路故障时，限制短路电流，保护器件和网络。通过合理计算平均短路电流，可以为网络组件的功率额定值设计提供参考。

器件功能模式

该系列器件具有两种主要工作模式：正常模式和静音模式。通过S输入终端可以选择工作模式。在正常模式下，驱动器和接收器均启用，实现双向CAN通信；在静音模式下，驱动器禁用，接收器仍可接收总线数据。

驱动和接收功能表

驱动和接收功能表详细列出了器件在不同输入条件下的输出状态，帮助工程师理解器件的工作逻辑，进行电路设计和故障排查。

应用信息

设计要求

在CAN网络设计中，需要考虑总线负载、长度和节点数量等因素。ISO 11898-2标准规定了总线长度和节点数量的上限，但通过合理设计，可以延长总线长度、增加节点数量。TCAN1051系列具有高输入阻抗，能够满足大规模节点的需求。

详细设计程序

CAN Termination是CAN网络设计中的重要环节。根据ISO 11898标准，应使用与电缆特性阻抗相等的电阻对总线两端进行终端匹配，以防止信号反射。同时，应尽量缩短连接节点到总线的未终端支线（stubs）的长度，减少信号反射。

应用曲线

应用曲线可以直观地展示器件在不同条件下的性能表现。例如，$I{CC}$ Dominant Current随$V{CC}$ 电源电压的变化曲线，帮助工程师了解器件的功率消耗和性能变化。

电源供应建议

为了确保器件的正常工作，建议使用稳定的电源供应。$V{CC}$ 输入电源电压范围应在4.5V至5.5V之间，$V{IO}$ 输出电平转换电源输入范围应在3V至5.5V之间。同时，应在CAN收发器的主要$V{CC}$ 电源输出附近放置大容量电容（通常为4.7μF），并在$V{CC}$ 和$V_{IO}$ 电源终端附近放置旁路电容（通常为0.1μF），以减少电源电压纹波和补偿PCB电源平面和走线的电阻和电感。

布局指南

在PCB设计中，合理的布局对于提高系统的EMC性能和可靠性至关重要。建议将保护和滤波电路靠近总线连接器放置，防止瞬态、ESD和噪声进入电路板。使用电源和接地平面提供低电感路径，确保信号的稳定传输。同时，应合理放置旁路和大容量电容，以及总线终端电阻，以优化系统性能。

总结

TCAN1051-Q1系列CAN收发器具有丰富的特性和出色的性能，适用于各种汽车和运输应用。通过了解其特性、应用和设计要点，电子工程师可以更好地选择和使用该系列器件，设计出高性能、高可靠性的CAN网络系统。在实际应用中，还需要根据具体需求进行合理的电路设计和布局优化，以充分发挥器件的优势。你在使用CAN收发器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。