具备 CAN FD 的 TCAN33x 3.3V CAN 收发器：设计与应用全解析

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主流选择。而 CAN 收发器作为 CAN 总线系统中的关键组件，其性能优劣直接影响着整个系统的稳定性和通信效率。今天，我们就来深入探讨一下 TI 推出的具备 CAN FD（灵活数据速率）的 TCAN33x 3.3V CAN 收发器。

文件下载：tcan334g.pdf

一、特性亮点

1. 电源与速率优势

TCAN33x 系列采用 3.3V 单电源工作，这使得它可以直接连接 3.3V CAN 控制器/MCU，简化了电路设计。同时，TCAN33xG 器件的数据速率高达 5Mbps，能够满足高速通信的需求，而普通的 TCAN33x 器件数据传输速率也能达到 1Mbps，为不同应用场景提供了灵活的选择。

2. 标准兼容性

该系列器件符合 ISO 11898 - 2 标准，这意味着它能够与其他符合该标准的 CAN 设备无缝兼容，保证了在不同系统中的通用性和互操作性。

3. 封装形式多样

提供 SOIC - 8 和 SOT - 23 两种封装选项。SOIC - 8 封装便于插接，适用于大多数常规应用；而 SOT - 23 封装则更小巧，适合空间受限的应用场景，如小型传感器节点、便携式设备等。

4. 工作模式丰富

• 正常模式：所有器件都支持的基本工作模式，CAN 驱动和接收器完全工作，实现双向通信。
• 低功耗待机模式：仅 TCAN334 具备，具有唤醒功能。在该模式下，CAN 驱动和主接收器关闭，低功耗接收器和总线监视器开启，可通过 CAN 总线进行唤醒请求，大大降低了功耗，适合对功耗要求较高的应用。
• 静音模式：TCAN330 和 TCAN337 支持，此时 CAN 驱动禁用，接收器正常工作，实现单向接收功能，可用于只需要监听总线数据的场景。
• 关断模式：TCAN330 和 TCAN334 支持，这是最低功耗模式，CAN 驱动和接收器都关闭，总线引脚被拉至 GND，无法进行通信，但能最大程度降低功耗。

5. 宽电压范围与保护特性

• 宽共模工作电压范围：具备 ±12V 的宽共模工作电压范围，能适应复杂的电磁环境，增强了系统的抗干扰能力。
• 总线引脚故障保护：总线引脚具有 ±14V 的故障保护，可防止因过压、短路等故障对器件造成损坏。
• ESD 保护：总线终端具有出色的 ESD 保护，HBM ESD 保护超过 ±25kV，IEC61000 - 4 - 2 ESD 接触放电保护超过 ±12kV，有效提高了器件的可靠性。
• 其他保护特性：还具备驱动器显性超时（TXD DTO）、接收器显性超时（RXD DTO）、(V_{CC}) 欠压保护、热关断保护和总线引脚限流等功能，全方位保障了 CAN 网络的稳定性。

6. 低延迟与宽温度范围

总环路延迟 < 135ns，确保了数据的快速传输和响应。工作环境温度范围为 - 40°C 至 125°C，能适应各种恶劣的工业和汽车环境。

7. 优化的未上电性能

未上电时，总线和逻辑引脚为高阻抗，不会对运行总线或应用产生负载；上电/断电过程中无干扰运行，保证了系统的稳定性。

8. 出色的 EMC 性能

由于显性共模和隐性共模相匹配，该系列器件具有出色的 EMC 性能，能有效减少电磁干扰，提高系统的电磁兼容性。

二、应用领域

1. 高速 CAN 网络

TCAN33xG 器件可实现具有灵活数据速率网络的 CAN 中的 5Mbps 运行，适用于对数据传输速率要求较高的应用，如高速传感器数据采集、工业机器人控制等。

2. 高负载 CAN 网络

在高负载 CAN 网络中，1Mbps 的运行速率也能满足大多数应用需求，可广泛应用于工业自动化、控制、传感器和驱动系统等领域。

3. 自动化系统

在楼宇、安全和温度控制自动化系统中，TCAN33x 收发器可实现设备间的可靠通信，确保系统的稳定运行。

4. 电信基站

用于电信基站的状态和控制，实时传输基站的运行数据和控制指令。

5. 遵循多种 CAN 总线标准

支持 CANopen、DeviceNet、NMEA2000、ARINC825、ISO11783、CANaerospace 等多种 CAN 总线标准，适用于不同行业的特定应用需求。

三、详细说明

1. 标准兼容性与数据速率

TCAN33x 器件系列与 ISO 11898 高速 CAN 物理层标准兼容。其中，TCAN330、TCAN332、TCAN334 和 TCAN337 的数据传输速率均高达 1Mbps；而 TCAN330G、TCAN332G、TCAN334G 和 TCAN337G 器件则支持更高的数据速率，其 ISO 11898 - 2 更新版本发布正在审理中，包括 CAN FD 和定义环路延迟对称的附加时序参数。

2. 保护特性确保网络稳定

该器件具有许多保护特性，其中驱动器和接收器显性超时（DTO）特性尤为重要。TXD DTO 可防止因硬件或软件故障导致 TXD 长时间保持显性状态，从而阻塞网络通信；RXD DTO 则可防止总线长时间处于显性状态时，RXD 输出一直保持低电平，确保了 CAN 网络的稳定性。

3. ESD 保护增强系统可靠性

集成了 12kV IEC - 61000 - 4 - 2 ESD 接触放电保护，无需使用附加组件即可确保系统级的稳定性，降低了设计成本和复杂度。

4. 电源兼容性与低功耗特性

通过使用 3.3V 单电源，收发器可以直接连接 3.3V CAN 控制器/MCU，同时完全兼容同一总线上的其他 5V CAN 收发器。超低功耗的关断模式和待机模式，对电池供电型应用极具吸引力，可有效延长设备的续航时间。

5. 封装特点

提供便于插接的标准 8 引脚 SOIC 封装以及面向空间受限类应用的小型 SOT - 23 封装，满足不同设计需求。

四、参数规格

1. 绝对最大额定值

• 电源电压范围 (V_{CC})：- 0.3V 至 5V
• 总线终端电压 (V)：- 14V 至 14V
• 逻辑输入/输出终端电压范围：- 0.3V 至 5V
• 逻辑输出电流 (I_{O(LOGIC)})：最大 8mA
• 工作结温范围 (T_J)：- 40°C 至 150°C
• 存储温度 (T_{stg})：最大 150°C

2. ESD 评级

• HBM 模型：所有引脚（除 CANH 和 CANL） ±4000V，CANH 和 CANL 引脚 ±25000V
• CDM 模型：所有引脚 ±1500V
• IEC 61400 - 4 - 2 接触放电：CANH 和 CANL 端子至 GND ±12000V

3. 推荐工作条件

• 电源电压 (V_{CC})：3V 至 3.6V
• 逻辑终端高电平输出电流 (I_{OH(LOGIC)})：- 2mA
• 逻辑终端低电平输出电流 (I_{OL(LOGIC)})：最大 2mA
• 工作环境温度 (T_A)：- 40°C 至 125°C

4. 热信息

不同封装的热阻参数有所不同，如 SOIC - 8 封装的结到环境热阻 (R{θJA}) 为 114.4°C/W，SOT - 23 - 8 封装的结到环境热阻 (R{θJA}) 为 154.4°C/W。热关断温度为 175°C，热关断滞后为 5°C。

5. 电气特性

• 电源电流：不同工作模式下的电源电流不同，如正常模式下，典型总线负载时最大为 55mA，高总线负载时最大为 60mA；静音模式下最大为 2.5mA；待机模式下，温度低于 85°C 时最大为 20µA；关断模式下，温度低于 85°C 时最大为 2.5µA。
• 驱动器输出电压：总线输出电压（显性）CANH 为 2.45V 至 (V_{CC})，CANL 为 0.5V 至 1.25V；总线输出电压（隐性）为 1.85V。
• 接收器特性：输入阈值电压在正常模式和选择性唤醒模式下为 500mV 至 900mV，滞回电压为 120mV，共模范围为 - 12V 至 12V。

6. 开关特性

• 总环路延迟：在不同负载条件下，总环路延迟在 100ns 至 180ns 之间。
• 模式切换时间：模式变化时间为 5µs 至 10µs。
• 驱动和接收器传播延迟：驱动高电平到隐性的传播延迟 (t{pHR}) 为 25ns，低电平到显性的传播延迟 (t{pLD}) 为 20ns；接收器总线隐性输入到高 RXD 输出的传播延迟 (t{pRH}) 为 62ns，总线显性输入到 RXD 低输出的传播延迟 (t{pDL}) 为 56ns。
• 显性超时时间：TXD 显性超时 (t_{TXDDTO}) 为 1.2ms 至 3.8ms，RXD 显性超时 (t{RXD_DTO}) 为 1.6ms 至 5ms。

五、应用设计要点

1. 总线负载、长度和节点数量

ISO 11898 标准规定数据速率最高为 1Mbps，最大 CAN 总线电缆长度为 40m，最大分支线长度为 0.3m，最多 30 个节点。但通过精心的网络设计，系统可以有更长的电缆、更长的分支线和更多的节点。TCAN33x 系列具有高输入阻抗和宽共模范围，适用于高节点数的网络。在设计 CAN 网络时，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，合理确定节点数量和总线长度。

2. 典型应用电路

典型的 3.3V 应用电路包括 3 - V 电压调节器、TCAN33x CAN 收发器和 3 - V MCU。在设计时，需要注意 CAN 总线的终端匹配，通常在总线两端使用 120Ω 电阻进行终端匹配，以防止信号反射。如果需要对总线的共模电压进行滤波和稳定，可以使用分裂终端，即使用两个 60Ω 电阻和一个电容。

3. 电源供应建议

为了确保在所有数据速率和电源电压下可靠运行，每个电源都应使用一个 100nF 陶瓷电容进行去耦，且该电容应尽可能靠近 (V_{CC}) 电源引脚。TPS76333 是适合 3.3V 电源的线性电压调节器。

4. PCB 布局指南

• 保护和滤波电路设计：由于 ESD 和 EFT 瞬变具有较宽的频率带宽（约 3MHz 至 3GHz），在 PCB 设计时应采用高频布局技术。在 CANH 和 CANL 上使用瞬态电压抑制器（TVS）和电容进行额外的系统级保护，这些器件应尽可能靠近连接器放置。
• 总线终端：采用分裂终端时，要注意将终端电阻和电容合理布局，确保其对总线的共模滤波效果。同时，要注意避免终端节点被移除，以免影响信号完整性。
• 去耦电容：旁路和大容量电容应尽可能靠近收发器的电源引脚放置。
• 接地和电源连接：使用至少两个过孔连接 (V_{CC}) 和接地，以减少走线和过孔电感。
• 数字输入和输出：可使用串联电阻限制数字线路的电流，使用电容对数字 I/O 线路进行滤波。
• 故障输出引脚（仅 TCAN337）：FAULT 输出引脚为开漏输出，需要一个外部上拉电阻将引脚电压拉高，以保证正常工作。
• TXD 输入引脚：如果使用开漏主机处理器驱动 TXD 引脚，需要使用一个 1kΩ 至 10kΩ 的外部上拉电阻，以帮助驱动器件的隐性输入状态。

六、总结

TCAN33x 系列 3.3V CAN 收发器凭借其丰富的特性、出色的性能和广泛的应用领域，为 CAN 总线系统设计提供了一个优秀的解决方案。在实际设计过程中，电子工程师需要根据具体应用需求，合理选择器件型号、优化电路设计和 PCB 布局，以充分发挥该系列收发器的优势，确保系统的稳定性和可靠性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地了解和应用 TCAN33x 收发器。

你在使用 TCAN33x 收发器的过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。