TCAN1042-Q1汽车类CAN收发器：设计与应用全解析

在汽车电子领域，CAN（Controller Area Network）总线作为一种可靠的通信方式，广泛应用于各种汽车系统中。而CAN收发器则是CAN总线通信的关键组件，它负责将CAN控制器的数字信号转换为适合在CAN总线上传输的差分信号，以及将总线上的差分信号转换为数字信号供CAN控制器处理。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的TCAN1042-Q1系列汽车类CAN收发器。

文件下载：tcan1042hg-q1.pdf

一、特性亮点

1. 汽车级标准与兼容性

TCAN1042-Q1系列符合AEC-Q100（等级1）标准，这意味着它能够满足汽车应用的严格要求，具备高可靠性和稳定性。同时，它还符合ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007物理层标准，确保了与其他符合这些标准的设备能够良好兼容。

2. 功能安全支持

该系列产品提供功能安全相关文档，可帮助工程师进行功能安全系统设计。在汽车电子系统中，功能安全至关重要，它能够确保系统在出现故障时仍能保持安全运行，减少潜在的风险。

3. “Turbo”CAN技术

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5Mbps的数据速率。这种高速数据传输能力使得系统能够更快地传输大量数据，提高了通信效率。此外，它还具有较短的对称传播延迟时间和快速循环次数，可增加时序裕量，在有负载的CAN网络中也能实现更快的数据速率。

4. 出色的EMC性能

支持SAE J2962-2和IEC 62228-3（最高500kbps）标准，并且在某些情况下无需共模扼流圈，这不仅降低了系统成本，还减少了电路板的空间占用。

5. 宽I/O电压范围与理想无源行为

I/O电压范围支持3.3V和5V MCU，提高了与不同微控制器的兼容性。未供电时，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，这对于多节点的CAN网络非常重要，可避免对其他节点造成影响。

6. 多重保护特性

具备多种保护特性，如IEC ESD保护高达±15kV，可有效防止静电放电对器件造成损坏；总线故障保护方面，非H型号可达±58V，H型号可达±70V，增强了器件在恶劣环境下的可靠性；$V{CC}$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）可防止长时间发送显性信号导致网络阻塞，热关断保护（TSD）可在器件温度过高时自动关闭，保护器件不受损坏。

7. 广泛的温度范围与封装选择

结温范围为–55°C至150°C，适用于各种恶劣的工作环境。采用SOIC（8）封装和无引线VSON（8）封装（3.0mm x 3.0mm），提高了自动光学检测（AOI）能力，方便生产制造。

二、应用场景

1. 汽车和运输领域

该系列器件适用于所有高负载CAN网络，可用于汽车的各种电子系统，如发动机控制单元、车身电子系统、底盘控制系统等。同时，也可应用于重型机械的ISOBUS应用（ISO 11783），满足不同类型车辆和机械设备的通信需求。

2. 高速CAN应用

针对汽车应用的SAE J2284高速CAN、GMW3122双线制CAN物理层等标准，TCAN1042-Q1系列都能提供良好的支持，确保高速、可靠的通信。

三、器件信息与对比

1. 封装信息

该系列器件提供SOIC（8）和VSON（8）两种封装形式，不同封装尺寸不同，用户可根据实际需求进行选择。

2. 器件对比

不同型号的TCAN1042-Q1在总线故障保护、数据速率、I/O电平转换等方面存在差异。例如，带有“H”后缀的型号具有更高的总线故障保护电压（±70V），而带有“G”后缀的型号支持更高的数据速率（5Mbps），带有“V”后缀的型号则具备I/O电平转换功能。用户在选择器件时，应根据具体的应用需求和系统要求进行综合考虑。

四、参数与特性详解

1. 绝对最大额定值

规定了器件在各种电源电压、总线电压、逻辑输入输出电压等方面的最大允许值，超出这些范围可能会导致器件永久性损坏。例如，$V_{CC}$的范围为-0.3V至7V，不同型号的CAN总线I/O电压范围也有所不同。

2. ESD评级

该系列器件具有较高的ESD保护能力，如HBM分类级别为3A（±6000V），对于CANH和CANL引脚相对于GND的HBM分类级别可达3B（±16000V），CDM分类级别为C6（±1500V）。在系统级ESD测试中，也表现出良好的性能，如CAN总线端子（CANH，CANL）到GND的SAE J2962-2标准测试中，静电放电可达±15000V（空气放电）和±8000V（接触放电）。

3. 推荐工作条件

给出了器件正常工作时的电源电压范围、输出电流等参数的推荐值。例如，$V{CC}$的推荐范围为4.5V至5.5V，$V{IO}$的推荐范围为3V至5.5V。

4. 热信息

提供了器件的热阻、热关断温度等热学参数。不同封装的热阻不同，如SOIC（8）封装的结到空气热阻为105.8°C/W，而VSON（8）封装的结到空气热阻为48.3°C/W。热关断温度为170°C，热关断滞回为5°C，可确保器件在高温环境下的安全运行。

5. 电气特性

详细列出了器件在不同工作模式下的电源电流、输入输出电压、电流等电气参数。例如，在正常模式（显性）下，5-V电源电流在不同负载条件下有所不同，典型值在40 - 80mA之间；在待机模式下，电流则大幅降低。

6. 开关特性

包括总环路延迟、模式转换时间、滤波时间等开关参数。总环路延迟在不同的转换状态下有所不同，如从隐性到显性的总环路延迟典型值为110ns。模式转换时间从正常模式到待机模式或从待机模式到正常模式的典型值为9μs。

7. 典型特性

给出了一些典型的特性曲线，如$V{OD(D)}$随温度的变化曲线、$I{CC}$隐性电流随温度的变化曲线等，帮助工程师更好地了解器件在不同条件下的性能。

五、详细功能描述

1. TXD显性超时（DTO）

在正常模式下，TXD DTO电路可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信号的下降沿触发DTO电路定时器开始计时，如果在超时时间$t_{TXD_DTO}$内没有检测到上升沿，DTO电路将禁用CAN总线驱动器，释放总线供其他节点通信。当TXD终端检测到隐性信号时，CAN驱动器将重新激活。

2. 热关断（TSD）

当器件的结温超过热关断阈值（$T_{TSD}$）时，器件将关闭CAN总线驱动器，以防止过热损坏。此时，总线终端被偏置到隐性电平，接收器和RXD终端仍能反映CAN总线上的活动。当结温下降到低于热关断温度减去热关断滞回温度时，器件将恢复正常工作。

3. 欠压锁定

$V{CC}$和$V{IO}$电源终端具有欠压检测功能，当电源电压低于设定的阈值时，器件将进入保护模式，以保护总线不受影响。不同型号的器件在欠压情况下的状态和输出有所不同，具体可参考相关表格。

4. 未供电设备

当器件未供电时，总线端子（CANH，CANL）具有极低的泄漏电流，不会对CAN总线造成负载，确保其他节点的正常工作。

5. 浮动端子

器件的关键端子（如TXD和STB）具有内部上拉电阻，当这些端子浮空时，可将器件置于已知状态。但在瞬态或嘈杂环境下，内部偏置可能不足以满足系统级偏置要求，需要额外的外部电路进行处理。

6. CAN总线短路电流限制

器件具有两种保护功能来限制CAN总线短路时的电流：驱动器电流限制和TXD显性状态超时。在计算平均短路电流时，需要考虑节点的发送和接收比例、显性和隐性位的比例以及相应的稳态短路电流。在设计网络时，应根据短路电流和可能的故障情况来确定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

• 仅$V_{CC}$供电的器件（无“V”后缀）：由单一的5-V电源供电，数字输入具有TTL输入阈值，与5V和3.3V的微控制器兼容。RXD输出在逻辑高电平时驱动到$V{CC}$。TXD和STB引脚内部上拉到$V{CC}$。当与具有开漏TXD输出的CAN控制器配合使用时，需要特别考虑TXD上拉强度和CAN位时序，可能需要使用适当的外部上拉电阻。
• 具有$V_{IO}$ I/O电平转换的器件（有“V”后缀）：使用5V $V{CC}$电源为CAN驱动器和高速接收器模块供电，同时具有第二个电源$V{IO}$用于I/O电平转换。该电源用于设置CMOS输入阈值和RXD高电平输出电压。TXD和STB引脚内部上拉到$V_{IO}$。

8. 器件功能模式

• 正常模式：通过将STB端子设置为低电平来选择正常模式。此时，CAN驱动器和接收器完全工作，CAN通信是双向的。驱动器将TXD上的数字输入转换为CANH和CANL上的差分输出，接收器将CANH和CANL上的差分信号转换为RXD上的数字输出。
• 待机模式：将STB端子设置为高电平可激活低功耗待机模式。在该模式下，总线发送器不发送数据，正常模式接收器也不接收数据，总线线路偏置到地，以最小化系统电源电流。只有低功耗接收器会主动监视总线上的活动。当检测到有效的唤醒模式（WUP）时，RXD将指示有效的唤醒事件。

9. CAN总线状态

CAN总线在器件通电运行时有显性和隐性两种状态。显性总线状态对应于TXD和RXD端子上的逻辑低电平，此时总线被差分驱动；隐性总线状态对应于TXD和RXD端子上的逻辑高电平，此时总线通过接收器的高电阻内部输入电阻$R{IN}$偏置到$V{CC} / 2$。

10. 远程唤醒请求

在待机模式下，器件提供远程唤醒请求功能，通过检测ISO11898-2（2016）标准中的多个滤波显性唤醒模式（WUP）来判断总线上的活动。当接收到有效的WUP时，RXD输出端子将出现下降沿并保持低电平，向微控制器指示唤醒请求。WUP由滤波显性脉冲、滤波隐性脉冲和第二个滤波显性脉冲组成，这些脉冲不需要连续出现，且在滤波位之间没有超时限制。

11. 驱动器和接收器功能表

详细列出了器件在不同输入条件下的输出状态，帮助工程师了解驱动器和接收器的工作原理。例如，在驱动器功能表中，当STB为低电平、TXD为低电平时，CANH输出高电平，CANL输出低电平，总线处于显性状态。

六、应用信息

1. 设计要求

• 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和最大支线长度为0.3m，但通过精心设计，用户可以使用更长的电缆、更长的支线长度和更多的节点。TCAN1042系列具有高输入阻抗，理论上支持单个总线段上最多100个收发器，但在实际设计中，需要考虑信号损失、寄生负载、网络不平衡等因素，实际节点数量通常会远低于理论值。
• CAN终端：ISO 11898标准规定使用特性阻抗为120Ω的双绞线电缆，并在电缆两端使用等于特性阻抗的电阻进行终端匹配，以防止信号反射。可以使用单个120-Ω电阻进行终端匹配，也可以使用分裂终端匹配，分裂终端匹配可以改善网络的电磁辐射特性。

2. 典型应用

给出了使用5V和3.3V CAN控制器的典型CAN总线应用电路，展示了如何将TCAN1042-Q1系列器件与微处理器配合使用。

七、电源供应与布局建议

1. 电源供应

器件的$V{CC}$输入电源电压范围为4.5V至5.5V，部分器件的$V{IO}$电源电压范围为3V至5.5V。为了减少电源电压纹波，应在CAN收发器的$V{CC}$和$V{IO}$电源输出端附近分别放置大容量电容（通常为4.7μF）和旁路电容（通常为0.1μF）。

2. 布局

在PCB设计中，应采用高频布局技术，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。可以使用瞬态电压抑制（TVS）器件、总线滤波电容和串联共模扼流圈等进行保护。同时，应使用电源和接地平面提供低电感，旁路和大容量电容应尽可能靠近收发器的电源端子。

八、支持与文档

1. 文档更新通知

用户可以在ti.com上的器件产品文件夹中订阅更新，每周接收产品信息更改摘要，并查看修订历史记录了解详细更改信息。

2. 支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、经过验证的解答和设计帮助的重要资源。

3. 静电放电注意事项

该集成电路可能会受到ESD损坏，因此在处理和安装时应采取适当的预防措施。

九、总结

TCAN1042-Q1系列汽车类CAN收发器具有高性能、高可靠性和丰富的功能特性，适用于各种汽车和工业应用。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求选择合适的型号，并合理考虑电源供应、布局等因素，以确保系统的稳定运行。希望通过本文的介绍，能够帮助工程师更好地了解和使用TCAN1042-Q1系列收发器。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。