汽车类 CAN 收发器 TCAN1042-Q1 系列：设计与应用全解析

在汽车电子和工业控制领域，CAN（Controller Area Network）总线作为一种可靠的通信协议，广泛应用于各种设备之间的数据传输。而 CAN 收发器则是实现 CAN 总线通信的关键组件，它负责将微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回数字信号供微控制器处理。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）推出的 TCAN1042-Q1 系列汽车类 CAN 收发器。

文件下载：tcan1042v-q1.pdf

一、产品概述

TCAN1042-Q1 系列包括 TCAN1042-Q1、TCAN1042V-Q1、TCAN1042H-Q1、TCAN1042HV-Q1、TCAN1042G-Q1、TCAN1042GV-Q1、TCAN1042HG-Q1 和 TCAN1042HGV-Q1 等型号。该系列收发器符合 ISO11898-2 (2016) 高速 CAN 物理层标准，支持经典 CAN 和高达 2Mbps 的 CAN FD（灵活数据速率），其中型号包含“G”后缀的器件更是能实现高达 5Mbps 的数据速率。此外，该系列还具备多种保护特性，能有效提高器件和网络的耐用性，非常适合汽车和运输、重型机械等应用场景。

二、产品特性

（一）汽车级认证与标准合规性

该系列产品通过了 AEC-Q100（等级 1）认证，符合汽车应用的严格要求。同时，它还满足 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理层标准，为汽车电子系统的可靠性提供了坚实保障。

（二）功能安全设计

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，降低系统风险，确保在复杂环境下的可靠运行。

（三）高速数据传输能力

支持经典 CAN 和 2Mbps CAN FD，“G”选项更是支持 5Mbps 的数据速率，能满足不同应用场景对数据传输速度的需求。此外，它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 CAN 网络中实现更快的数据速率。

（四）优秀的 EMC 性能

支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3（最高 500kbps）标准，无需共模扼流圈，有效降低了系统成本和复杂度。

（五）宽 I/O 电压范围

I/O 电压范围支持 3.3V 和 5V MCU，具有良好的兼容性，方便工程师进行系统设计。

（六）理想无源行为

在未供电时，总线和逻辑引脚处于高阻态（无负载），并在总线和 RXD 输出上实现上电/断电无干扰运行，避免对总线造成不必要的影响。

（七）多重保护特性

• ESD 保护：IEC ESD 保护高达 ±15kV，能有效抵御静电干扰，提高产品的可靠性。
• 总线故障保护：非 H 型号的总线故障保护为 ±58V，H 型号则达到 ±70V，增强了产品在恶劣环境下的抗干扰能力。
• 欠压保护：$V_{CC}$ 和 VIO（仅限 V 型号）电源终端具有欠压保护，确保在电源电压不稳定时，产品仍能正常工作。
• 驱动器显性超时（TXD DTO）：数据速率低至 10kbps 时，可防止因硬件或软件故障导致 TXD 长时间处于显性状态，影响网络通信。
• 热关断保护（TSD）：当器件结温超过阈值时，自动关闭 CAN 驱动电路，保护器件不受损坏。

（八）宽温度范围与封装形式

结温范围为 –55°C 至 150°C，能适应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。

三、应用场景

（一）汽车和运输

适用于各种汽车电子系统，如发动机控制单元、车身电子、底盘控制等。支持高负载 CAN 网络，满足汽车内部复杂的通信需求。同时，针对汽车应用的 SAE J2284 高速 CAN、GMW3122 双线制 CAN 物理层等标准，该系列产品也能很好地兼容。

（二）重型机械

在重型机械的 ISOBUS 应用（ISO 11783）中，TCAN1042-Q1 系列收发器可实现可靠的通信，确保设备之间的数据传输稳定。

四、器件信息与引脚配置

（一）器件信息

该系列产品有不同的型号可供选择，封装形式主要有 SOIC(8) 和 VSON(8) 两种，具体尺寸如下表所示：	器件型号	封装(1)	封装尺寸
TCAN1042x-Q1	SOIC(8)	4.90mmx3.91mm
	VSON(8)	3.00mm x3.00mm

（二）引脚配置与功能

不同型号的引脚配置略有差异，主要引脚功能如下表所示：	PINS			TYPE	DESCRIPTION
NAME	Base,(H)(G), (HG)	(V),(GV)(HV), (HGV)
TXD	1	1	DIGITAL INPUT	CAN transmit data input (LOW for dominant and HIGH for recessive bus states)
GND(1)	2	2	GND	Ground connection
VCC	3	3	POWER	Transcelver 5-V supply voltage
RXD	4	4	DIGITAL OUTPUT	CAN receive data output (LOW for dominant and HIGH for recessive bus states)
NC	5			No Connect
V1o		5	POWER	Transcelver V/O level shifing supply volage (Devices with "V suffix only)
CANL	6	6	BUS I/O	Low level CAN bus inputoutput line
CANH	7	7	BUS I/O	High level CAN bus input/output line
STB	8	8	DIGITAL INPUT	Standby Mode control input (active high)

需要注意的是，对于 DRB（VSON）封装选项，热焊盘可连接到 GND 以优化封装的热特性。

五、电气特性与参数

（一）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。该系列产品的绝对最大额定值包括电源电压范围、CAN 总线 I/O 电压范围、逻辑输入输出电压范围等，具体数值如下表所示：				MIN	MAX	UNIT
Vcc	5-V bus supply voltage range		-0.3	7	V
Vio	VO Level Shifting Voltage Range	Devices with the "Vsuffix	-0.3	7	V
VBUS	CAN Bus I/O vollage range (CANH, CANL)	Devices without the "H"suffix	-58	58	V
V(om	Max differential voltage between CANH and CANL	Devices without the "Hsuffix	-58	58	V
VBUS	CAN Bus I/O voltage range (CANH, CANL)	Devices with the "H suffix	-70	70	V
V(oim	Max differential voltage between CANH and CANL	Devices with the"H" suffix	-70	70	V
VLogic_Input)	Logic input terminal volage range (TXD,STB)		-0.3	7 and Vi≤Vio +0.3	V
VLogle_Ouput)	Logic output terminal voltage range (RXD)		-0.3	7and V≤Vio+0.3	V
lo(RXD)	RXD (Receiver) output current		-8	8	mA
TJ	Virtual junction temperature range (see Thermal Information)		-55	150	℃
TSTG	Storage temperature range (see Thermal Information)		65	150	℃

（二）ESD 评级

该系列产品具有良好的 ESD 保护能力，不同测试模型下的 ESD 评级如下表所示：					VALUE	UNIT
VESD	Electrostatic discharge		HBM classification level 3A for all pins	±6000	V
Human-body model(HBM),per AEC Q100-002(1)	HBM classification level 3B for global pins CANH and CANL with respect to GND	±16000	V
Charged-device model(CDM),per AEC Q100-011 CDM classification level C6 for all pins		±1500	V
Machine Model (MM),in accordance to JEDEC Standard 22, Test Method A115		+200	V

（三）推荐工作条件

为了确保器件的性能和可靠性，建议在推荐工作条件下使用。该系列产品的推荐工作条件包括电源电压范围、RXD 终端输出电流等，具体如下表所示：			MIN	MAX	UNIT
Vcc	5-V Bus Supply Voltage Range	4.5	5.5	V
Vio	IO Level-Shifting Voltage Range	3	5.5
oH(RXD)	RXD terminal HIGH level output current	-2		mA
OL(RXD)	RXD terminal LOW level output current		2

（四）热信息与功率评级

热信息和功率评级对于评估器件的散热性能和功耗非常重要。该系列产品的热信息包括结到空气、结到电路板、结到外壳的热阻等，功率评级则给出了不同测试条件下的平均功率耗散，具体数值可参考文档中的相关表格。

（五）电气特性与开关特性

电气特性和开关特性描述了器件在不同工作条件下的电气性能和开关速度。这些特性包括电源电流、输入输出电压、传播延迟时间等，对于设计 CAN 总线系统时的信号完整性和时序分析具有重要意义。

六、详细功能描述

（一）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 长时间处于显性状态，影响网络通信。当 TXD 下降沿触发 DTO 电路定时器开始计时，如果在超时时间 $t_{TXD_DTO}$ 内未检测到上升沿，则禁用 CAN 总线驱动器，释放总线供其他节点通信。当 TXD 检测到隐性信号时，CAN 驱动器重新激活。

（二）热关断（TSD）

当器件结温超过热关断阈值 $T{TSD}$ 时，自动关闭 CAN 驱动电路，防止器件过热损坏。在热关断期间，CAN 总线终端偏置到隐性电平，接收器到 RXD 路径仍可正常工作。当结温下降至少 $T{TSD_HYS}$ 后，热关断条件解除。

（三）欠压锁定

电源终端具有欠压检测功能，当 $V{CC}$ 或 $V{IO}$ 电源终端出现欠压事件时，将器件置于保护模式，保护总线不受影响。不同型号在欠压情况下的状态和输出有所不同，具体可参考文档中的相关表格。

（四）未供电设备

未供电时，器件对 CAN 总线呈“理想无源”或“无负载”状态，总线终端（CANH, CANL）的泄漏电流极低，避免对总线造成负载影响。

（五）浮动终端

关键终端具有内部上拉电阻，当终端浮空时，可将器件置于已知状态。TXD 终端上拉到 $V{CC}$ 或 $V{IO}$，强制输入为隐性电平；STB 终端上拉，使器件进入低功耗待机模式。

（六）CAN 总线短路电流限制

该系列产品具有两种保护特性来限制 CAN 总线短路电流：驱动器电流限制（显性和隐性状态）和 TXD 显性状态超时。在 CAN 通信中，总线在显性和隐性状态之间切换，可根据数据帧中的数据以及协议和物理层的相关因素确定显性和隐性位的比例，从而计算平均短路电流。

（七）数字输入输出

• 无“V”后缀的器件：由单一 5V 电源供电，数字输入具有 TTL 输入阈值，与 5V 和 3.3V 兼容。RXD 输出在逻辑高电平时驱动到 $V{CC}$ 总线，TXD 和 STB 引脚内部上拉到 $V{CC}$。
• 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模块供电，同时具有用于 I/O 电平转换的 $V{IO}$ 电源。该电源用于设置 TXD 和 RXD 引脚的 CMOS 输入阈值和高电平输出电压，TXD 和 STB 引脚内部上拉到 $V_{IO}$。

（八）设备功能模式

该系列产品具有两种主要工作模式：正常模式和待机模式，通过 STB 输入终端进行选择。

• 正常模式：STB 终端置低，CAN 驱动器和接收器完全工作，实现双向 CAN 通信。
• 待机模式：STB 终端置高，总线发射器停止发送数据，正常模式接收器停止接收数据，总线线路偏置到地，降低系统电源电流。只有低功耗接收器会持续监测总线活动，当检测到唤醒模式（WUP）时，RXD 输出低电平，指示有效唤醒事件。

七、应用信息与设计建议

（一）应用场景与设计要求

TCAN1042-Q1 系列收发器通常与包含 CAN 协议数据链路层部分的主机微处理器或 FPGA 配合使用。在设计 CAN 总线系统时，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，可延长电缆长度和分支长度，并增加总线上的节点数量。该系列产品具有高输入阻抗，理论上支持在单个总线段上最多连接 100 个收发器，但实际应用中，为保证信号完整性和系统可靠性，节点数量通常会远低于此值。

（二）CAN 终端设计

ISO 11898 标准规定 CAN 总线互连应使用具有 120Ω 特性阻抗的双绞线电缆，为防止信号反射，应在电缆两端使用与线路特性阻抗相等的电阻进行终端匹配。未终端的分支线路应尽量短，以减少信号反射。终端可以是电缆末端的单个 120Ω 电阻，也可以采用分割终端方式，以改善网络的电磁辐射性能。

（三）电源供应建议

该系列产品的 $V{CC}$ 输入电源电压范围为 4.5V 至 5.5V，部分型号的 $V{IO}$ 电源电压范围为 3V 至 5.5V。为确保电源稳定性，应在 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），以减少开关电源输出的电压纹波，并补偿 PCB 电源平面和走线的电阻和电感。

（四）布局指南

在 PCB 设计中，为保护器件免受工业环境中可能出现的 EFT 和浪涌瞬变影响，通常需要使用外部瞬态保护器件。由于 ESD 和瞬态信号的频率带宽较宽（约 3MHz 至 3GHz），因此在 PCB 设计时应采用高频布局技术。该系列产品具有较高的片上 IEC ESD 保护能力，但如果需要更高的系统级抗扰度，可使用外部 TVS 二极管。TVS 二极管和总线滤波电容应尽量靠近板载连接器放置，以防止噪声瞬态事件进一步传播到 PCB 和系统中。

八、总结

TCAN1042-Q1 系列汽车类 CAN 收发器以其丰富的特性、优秀的性能和广泛的应用场景，为汽车电子和工业控制领域的 CAN 总线通信提供了可靠的解决方案。在设计 CAN 总线系统时，工程师应充分了解该系列产品的特性和参数，结合实际应用需求，合理选择型号，并遵循相关的设计建议和布局指南，以确保系统的可靠性和稳定性。同时，TI 提供了完善的文档支持和技术论坛，工程师可以通过订阅文档更新通知获取最新的产品信息，并在 TI E2E™ 支持论坛上获取快速、经过验证的解答和设计帮助。

希望