深入解析TCAN1042：具备CAN FD和故障保护功能的CAN收发器

在工业自动化、汽车电子等众多领域，CAN（Controller Area Network）总线凭借其高可靠性、实时性和抗干扰能力，成为了设备间通信的首选方案。而CAN收发器作为CAN总线系统中的关键组件，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TCAN1042系列CAN收发器。

文件下载：tcan1042hgv.pdf

一、特性亮点

1. 标准兼容性

TCAN1042系列符合ISO 11898 - 2:2016和ISO 11898 - 5:2007物理层标准，这意味着它能够与遵循这些标准的其他设备无缝兼容，为系统集成提供了便利。

2. 数据速率支持

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。这种高速数据传输能力，能够满足不同应用场景下对数据传输速度的需求，例如在一些对实时性要求较高的工业控制和汽车电子系统中，高速数据传输可以确保信息的及时传递和处理。

3. 传播延迟与循环次数优势

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，能够实现更快的数据速率，提高了系统的通信效率和稳定性。

4. 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，未供电时具有理想无源行为。这使得它能够与不同电压等级的微控制器兼容，并且在未供电的情况下不会对总线造成额外负载，保证了系统的可靠性。

5. 保护特性丰富

• ESD保护：HBM ESD保护高达±16kV，IEC ESD保护高达±15kV，能够有效抵御静电放电对器件的损害，提高了器件的抗干扰能力。
• 总线故障保护：非H型号的总线故障保护为±58V，H型号为±70V，能够在总线出现故障时保护器件不受损坏。
• 欠压保护：(V{CC})和(V{IO})（仅限V型号）电源终端具有欠压保护，当电源电压低于设定阈值时，器件会进入保护模式，确保系统的稳定性。
• 驱动器显性超时（TXD DTO）：数据速率低至10kbps时仍能正常工作，能够防止因硬件或软件故障导致的总线阻塞，保证了总线的正常通信。
• 热关断保护（TSD）：当器件的结温超过设定阈值时，会自动关闭CAN驱动电路，防止器件因过热而损坏，提高了器件的可靠性和使用寿命。

二、应用领域

1. 工业自动化

在工业自动化领域，TCAN1042可用于工业自动化、控制、传感器和驱动系统。它能够实现设备之间的高速、可靠通信，确保工业生产过程的稳定运行。例如，在工厂的自动化生产线中，各个设备通过CAN总线进行通信，TCAN1042作为收发器，能够保证数据的准确传输，提高生产效率和产品质量。

2. 重型机械ISOBUS应用

在重型机械领域，ISO 11783标准被广泛应用于设备之间的通信。TCAN1042支持高负载CAN网络，能够满足重型机械ISOBUS应用的需求，实现不同设备之间的互联互通。

3. 楼宇、安全和温度控制自动化

在楼宇自动化系统中，TCAN1042可用于楼宇、安全和温度控制自动化。它能够实现对各种设备的远程监控和控制，提高楼宇的智能化水平和安全性。例如，通过CAN总线连接各个传感器和控制器，实现对楼宇内温度、湿度、光照等环境参数的实时监测和调节。

4. 电信基站状态和控制

在电信基站领域，TCAN1042可用于电信基站状态和控制。它能够实现对基站设备的实时监测和控制，确保基站的稳定运行。例如，通过CAN总线连接基站内的各个设备，实现对设备的温度、电压、电流等参数的实时监测和调节，提高基站的可靠性和稳定性。

三、器件信息

1. 封装形式

TCAN1042系列采用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。不同的封装形式适用于不同的应用场景，用户可以根据实际需求进行选择。

2. 引脚配置

不同型号的器件引脚配置略有不同，主要分为不带“V”后缀和带“V”后缀的两种类型。不带“V”后缀的器件引脚5为NC（无连接），而带“V”后缀的器件引脚5为(V_{IO})，用于I/O电平转换。这种设计使得器件能够适应不同的应用需求，提高了器件的灵活性。

四、电气特性与性能指标

1. 绝对最大额定值与ESD评级

该器件具有明确的绝对最大额定值，包括电压、电流、温度等参数。在使用过程中，必须确保器件的工作条件在这些额定值范围内，否则可能会导致器件永久性损坏。同时，器件的ESD评级较高，能够有效抵御静电放电的影响，提高了器件的可靠性。

2. 推荐工作条件

推荐工作条件包括(V{CC})、(V{IO})、(I{OH(RXD)})、(I{OL(RXD)})等参数。在设计电路时，应确保器件的工作条件符合这些推荐值，以保证器件的正常工作和性能稳定。

3. 热信息

热信息包括热阻、热关断温度、热关断滞回等参数。这些参数对于评估器件的散热性能和可靠性非常重要。在设计散热方案时，应根据这些参数进行合理的散热设计，确保器件在正常工作温度范围内运行。

4. 电气特性

电气特性包括电源特性、驱动特性、接收特性等多个方面。例如，在电源特性方面，器件在不同工作模式下的电流消耗不同，用户可以根据实际需求选择合适的工作模式，以降低功耗。在驱动特性方面，器件的输出电压、电流等参数能够满足不同负载的需求，确保信号的可靠传输。在接收特性方面，器件的输入阈值、共模范围等参数能够保证对信号的准确接收。

五、功能模式与工作原理

1. 主要功能模式

TCAN1042系列具有两种主要的工作模式：正常模式和待机模式。通过STB输入终端可以选择不同的工作模式。

• 正常模式：当STB终端为低电平时，器件进入正常模式。在正常模式下，CAN驱动和接收器完全工作，CAN通信是双向的。驱动将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：当STB终端为高电平时，器件进入低功耗待机模式。在待机模式下，总线发射器不发送数据，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活动。当在总线上检测到唤醒模式（WUP）后，RXD会指示有效的唤醒事件。

  2. TXD显性超时（DTO）

  在正常模式下，TXD DTO电路能够防止因硬件或软件故障导致的总线阻塞。当TXD长时间保持显性状态时，DTO电路会在超时时间(t_{TXD_DTO})后禁用CAN总线驱动器，释放总线供其他节点通信。当TXD终端出现隐性信号时，CAN驱动器会重新激活，恢复通信。

  3. 热关断（TSD）

  当器件的结温超过热关断阈值（(T{TSD})）时，器件会关闭CAN驱动电路，阻止TXD到总线的传输路径。在热关断期间，CAN总线终端偏置到隐性电平，接收器到RXD的路径仍然工作。当结温下降到热关断温度以下至少热关断滞回温度（(T{TSD_HYS})）时，关断条件会被清除。

  4. 欠压锁定

  电源终端具有欠压检测功能，当(V{CC})或(V{IO})电源电压低于设定阈值时，器件会进入保护模式，以保护总线。不同型号的器件在欠压情况下的状态和输出有所不同，用户可以根据实际需求进行选择。

六、应用设计与注意事项

1. 总线设计

在CAN总线设计中，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为40m和最大分支长度为0.3m，但通过精心设计，用户可以使用更长的电缆、更长的分支长度和更多的节点。TCAN1042系列具有高输入阻抗，能够满足大量节点的需求。

2. CAN终端

CAN总线的终端非常重要，ISO 11898标准规定互连应为具有120Ω特性阻抗的双绞线电缆。应使用等于线路特性阻抗的电阻来终止电缆的两端，以防止信号反射。未终止的分支线路应尽可能短，以最小化信号反射。终端可以在电缆上或节点中，但如果节点可能从总线上移除，则必须小心放置终端，以确保网络上始终存在两个终端。

3. 电源供应

器件的电源供应需要稳定，(V{CC})输入电源电压范围为4.5V至5.5V，(V{IO})输入电源电压范围为3V至5.5V。建议在CAN收发器的主要(V{CC})电源输出附近放置一个大容量电容（通常为4.7μF），并在器件的(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。

4. 布局设计

在PCB设计中，需要采用高频布局技术，以防止ESD和瞬态干扰。保护和滤波电路应尽可能靠近总线连接器，以防止瞬态、ESD和噪声传播到电路板上。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终端。

七、总结与展望

TCAN1042系列CAN收发器凭借其丰富的特性、广泛的应用领域和良好的性能指标，成为了CAN总线系统设计中的理想选择。它能够满足不同用户的需求，提高系统的可靠性和稳定性。在未来的设计中，电子工程师们可以充分发挥该器件的优势，结合实际应用需求，设计出更加高效、可靠的CAN总线系统。同时，随着技术的不断发展，我们也期待着TCAN1042系列能够不断升级和完善，为更多的应用场景提供更好的解决方案。

你在使用TCAN1042系列CAN收发器的过程中遇到过哪些问题？你对该器件的性能和应用有什么独特的见解？欢迎在评论区留言分享！