TCAN1051-Q1：汽车类 CAN 收发器的卓越之选

在汽车电子和工业控制领域，CAN（Controller Area Network）总线凭借其高可靠性、实时性和抗干扰能力，成为了数据通信的主流选择。而 CAN 收发器作为 CAN 总线与微控制器之间的桥梁，其性能直接影响着整个系统的稳定性和通信效率。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）推出的 TCAN1051-Q1 系列具有 CAN FD 和故障保护功能的汽车类 CAN 收发器。

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一、特性亮点

1. 汽车级标准与兼容性

TCAN1051-Q1 系列完全符合 AEC Q100 标准，这意味着它能够满足汽车应用在温度、静电放电（ESD）等方面的严格要求。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，确保了在恶劣环境下的可靠运行。同时，该系列还符合 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理层标准，为系统设计提供了强大的兼容性支持。

2. 高速数据传输能力

“Turbo”CAN 技术是该系列的一大特色。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，它具有较短的对称传播延迟时间和快速循环次数，能够有效增加时序裕量，在有负载的 CAN 网络中实现更快的数据传输。

3. 出色的 EMC 性能

在电磁兼容性（EMC）方面，TCAN1051-Q1 系列表现卓越。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，大大简化了系统设计。

4. 宽 I/O 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，为不同的微控制器提供了灵活的接口选择。在未供电时，总线和逻辑引脚处于高阻态，实现了理想的无源行为，避免了对总线的负载影响，同时在总线和 RXD 输出上实现了上电/断电无干扰运行。

5. 全面的保护特性

为了确保系统的可靠性和稳定性，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）功能可防止总线阻塞，热关断保护（TSD）可在温度过高时自动关闭驱动器，接收器共模输入电压范围为 ±30V，有效提高了系统的抗干扰能力。

二、应用领域

TCAN1051-Q1 系列适用于多种汽车和运输应用，尤其在高负载 CAN 网络中表现出色。它还可用于重型机械的 ISOBUS 应用，满足 ISO 11783 标准的要求。

三、器件说明

该系列 CAN 收发器符合 ISO1189-2 (2016) 高速 CAN 物理层标准，设计用于数据速率高达 2Mbps 的 CAN FD 网络。带有“G”后缀的器件旨在实现更高的 5Mbps 数据速率，而带有“V”后缀的器件则配备了辅助电源输入，用于设置输入引脚阈值和 RXD 输出电平。此外，该系列还具有静音模式（仅侦听模式），为系统设计提供了更多的灵活性。

四、引脚配置与功能

TCAN1051-Q1 系列采用 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。不同的引脚配置适用于不同的应用场景，例如引脚 5 的功能在不含 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 $V_{IO}$ 引脚。

五、规格参数

1. 绝对最大额定值

该系列器件在不同的电压和温度条件下具有明确的绝对最大额定值，例如 5-V 总线电源电压范围为 -0.3V 至 7V，CAN 总线 I/O 电压范围根据不同型号有所不同，非 H 型号为 -58V 至 58V，H 型号为 -70V 至 70V 等。这些参数为系统设计提供了安全边界，确保器件在正常工作时不会受到损坏。

2. ESD 评级

在静电放电保护方面，该系列器件表现出色。不同封装（D (SOIC) 和 DRB (VSON)）的所有终端在 Human Body Model (HBM) 下的 ESD 应力电压为 ±6000V，CAN 总线终端（CANH, CANL）到 GND 的 HBM ESD 应力电压高达 ±16000V，Charged Device Model (CDM) ESD 应力电压为 ±1500V，Machine Model 下所有终端为 ±200V。

3. 推荐工作条件

为了确保器件的最佳性能，推荐的工作条件包括 5-V 总线电源电压范围为 4.5V 至 5.5V，IO 电平转换电压范围为 2.8V 至 5.5V 等。在这些条件下，器件能够稳定运行，提供可靠的通信性能。

4. 热信息

热信息对于器件的散热设计至关重要。该系列器件的热阻参数包括结到空气热阻、结到板热阻、结到壳（顶部）热阻等，同时还给出了热关断温度和热关断滞后温度等参数，为系统的散热设计提供了参考。

5. 功率额定值

在不同的测试条件下，器件的平均功率耗散有所不同。例如，在典型的 CAN 操作条件下，平均功率耗散为 52mW，而在高负载条件下，功率耗散可达 124mW。了解这些功率额定值有助于合理设计电源和散热系统。

6. 电气特性

电气特性涵盖了器件在不同工作模式下的各种参数，如 5-V 电源电流、I/O 电源电流、输入输出电压阈值、输入输出电流等。这些参数对于系统的电气设计和性能评估具有重要意义。

7. 开关特性

开关特性包括总环路延迟、模式改变时间、传播延迟时间、脉冲偏斜、信号上升和下降时间等。这些参数直接影响着器件的通信速度和响应时间，对于高速 CAN 网络的设计至关重要。

8. 典型特性

典型特性通过图表的形式展示了器件在不同温度、电压等条件下的性能变化，如 $V{OD(D)}$ 随温度和 $V{CC}$ 的变化、$I_{CC}$ 隐性电流随温度的变化等。这些图表有助于工程师更好地了解器件的性能特点，进行系统优化。

六、详细描述

1. TXD 显性超时（DTO）

TXD DTO 电路是该系列器件的一项重要保护功能。在正常模式下，当 TXD 保持显性状态的时间超过预设的超时时间 $t_{TXDDTO}$ 时，DTO 电路会自动禁用 CAN 总线驱动器，释放总线以便其他节点进行通信。当 TXD 检测到隐性信号时，驱动器会重新激活。需要注意的是，TXD DTO 电路允许的最小显性 TXD 时间会限制器件的最小可能传输数据速率，可通过公式 Minimum Data Rate = 11 / $t{TXD_DTO}$ 进行计算。

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 驱动器电路，阻止 TXD 到总线的传输路径。在热关断期间，CAN 总线终端被偏置到隐性电平，接收器到 RXD 的路径仍然保持工作。当结温下降到低于热关断阈值至少热关断滞后温度 $T{TSD_HYS}$ 时，关断条件会被清除。

3. 欠压锁定

该系列器件的电源终端具有欠压检测功能，当 $V{CC}$ 或 $V{IO}$ 电源电压低于设定的阈值时，器件会进入保护模式，保护总线不受影响。不同后缀的器件在欠压锁定时的表现有所不同，具体可参考相关表格。

4. 未供电设备

当器件未供电时，其总线终端（CANH, CANL）和逻辑终端具有极低的泄漏电流，避免了对总线和其他电路的负载影响。这一特性在网络中部分节点未供电而其他节点仍在运行的情况下尤为重要。

5. 浮动终端

为了确保器件在终端浮动时能够进入已知状态，该系列器件在关键终端上设置了内部上拉电阻。例如，TXD 终端被上拉到 $V{CC}$ 或 $V{IO}$，S 终端被下拉到 GND，从而保证了系统的稳定性。

6. CAN 总线短路电流限制

在 CAN 总线发生短路故障时，器件具有两种保护特性来限制短路电流：驱动器电流限制和 TXD 显性状态超时。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 $I_{OS(AVG)} = %Transmit times [(%DOMBits times I{OS(SS)_DOM}) + (%RECBits times I{OS(SS)REC})] + [%Receive times I{OS(SS)_REC}]$ 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 $V{CC}$ 仅供电的器件，其数字输入具有 TTL 输入阈值，与 5V 和 3.3V 微控制器兼容。RXD 输出在逻辑高电平时驱动到 $V{CC}$ 轨，TXD 引脚内部上拉到 $V{CC}$，S 引脚下拉到 GND。而对于带有“V”后缀的器件，使用 5V $V{CC}$ 电源为 CAN 驱动器和高速接收器供电，并通过 $V_{IO}$ 进行 I/O 电平转换。

8. 器件功能模式

TCAN1051-Q1 系列器件具有两种主要的工作模式：正常模式和静音模式，可通过 S 输入终端进行选择。在正常模式下，CAN 驱动器和接收器均处于启用状态，实现双向通信；在静音模式下，CAN 驱动器被禁用，接收器仍然工作，仅接收总线数据。

七、应用信息

1. 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 标准规定了最大总线长度和最大分支长度，但通过合理设计，可以延长电缆长度、增加分支长度和节点数量。TCAN1051 系列收发器具有高输入阻抗，理论上支持在单个总线段上连接多达 100 个收发器，但在实际应用中，需要考虑信号损失、寄生负载、网络不平衡等因素，合理确定节点数量和数据速率。

2. 详细设计程序

CAN 终端

ISO 11898 标准规定 CAN 总线应使用特性阻抗为 120Ω 的双绞线电缆，并在电缆两端使用与特性阻抗相等的电阻进行终端匹配，以防止信号反射。未终端的分支线应尽量短，以减少信号反射的影响。终端电阻可以位于电缆上或节点中，但如果节点可能从总线上移除，需要确保网络中始终存在两个终端。

3. 典型应用

该系列器件适用于各种 CAN 总线应用，如汽车电子、工业控制等。在典型应用中，需要合理设计电源、滤波和保护电路，以确保系统的稳定性和可靠性。

八、电源供应建议

TCAN1051-Q1 系列器件的 $V{CC}$ 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。为了保证器件的稳定运行，两个电源输入都需要进行良好的稳压。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 $V_{IO}$ 电源终端附近放置一个旁路电容（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。

九、布局建议

1. 布局指南

在 PCB 设计中，合理的布局对于减少干扰和提高系统性能至关重要。建议将保护和滤波电路尽可能靠近总线连接器，以防止瞬态、ESD 和噪声进入电路板。使用 TVS 二极管和总线滤波电容时，应将它们放置在靠近板上连接器的位置，避免噪声瞬态事件进一步传播到 PCB 和系统中。同时，应使用电源和接地平面提供低电感路径，确保高频电流能够沿着阻抗最小的路径流动。

2. 布局示例

提供的布局示例展示了如何合理安排各个组件，包括 TVS 器件、总线滤波电容、终端电阻等。在实际设计中，可以根据具体应用需求进行调整，但需要遵循布局指南的基本原则。

十、器件和文档支持

TI 为 TCAN1051-Q1 系列器件提供了丰富的开发工具和文档支持。工程师可以通过 ti.com 网站获取相关文档，并订阅文档更新通知。此外，TI E2E™ 支持论坛为工程师提供了一个获取快速、准确答案和设计帮助的平台。

十一、机械、封装和可订购信息

该系列器件提供了多种封装选项，如 SOIC (8) 和无引线 VSON (8) 封装。不同的封装在尺寸、引脚配置等方面有所不同，可根据具体应用需求进行选择。同时，文档中还提供了详细的可订购信息，包括订单号、状态、材料类型、包装数量、RoHS 合规性等，方便工程师进行采购。

总之，TCAN1051-Q1 系列汽车类 CAN 收发器以其丰富的特性、出色的性能和全面的保护功能，为汽车电子和工业控制领域的 CAN 网络设计提供了一个可靠的解决方案。希望通过本文的介绍，能够帮助广大工程师更好地了解和应用这款优秀的产品。在实际设计过程中，还需要根据具体的应用场景和需求，仔细研究器件的规格参数和使用说明，确保系统的稳定性和可靠性。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。