深入剖析TCAN1051系列CAN收发器：特性、应用与设计要点

在当今的电子系统中，CAN（Controller Area Network）总线凭借其高可靠性、实时性和抗干扰能力，被广泛应用于汽车、工业自动化、楼宇控制等众多领域。而TCAN1051系列CAN收发器作为其中的佼佼者，为工程师们提供了强大而可靠的解决方案。今天，我们就来深入剖析一下这个系列的收发器。

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一、产品概述

TCAN1051系列CAN收发器满足ISO11898 - 2（2016）高速CAN物理层标准，适用于CAN FD网络，数据速率最高可达2 Mbps，带有“G”后缀的器件甚至能支持5 Mbps的数据速率。该系列器件具备多种保护功能，能有效增强设备和网络的鲁棒性，并且有静音模式（监听模式），适用于各种高负载的CAN网络。

二、特性亮点

（一）电气特性

1. 数据速率支持：支持经典CAN和2 Mbps的CAN FD，“G”选项支持5 Mbps，能满足不同应用场景对数据传输速率的需求。例如在一些对数据实时性要求较高的工业自动化系统中，高速的数据传输可以确保控制指令和传感器数据的及时传递。
2. I/O电压范围：I/O电压范围支持3.3 V和5 V的MCU，具有良好的兼容性，方便工程师在不同电压等级的系统中进行设计。
3. 传播延迟：短而对称的传播延迟时间和快速的循环时间，提供了增强的时序裕量，有助于提高系统的稳定性和可靠性。典型的总循环延迟仅为110 ns，在高速通信中能有效减少信号延迟带来的影响。

（二）保护特性

1. ESD保护：HBM ESD保护可达±16 kV，IEC ESD保护高达±15 kV，能有效抵御静电放电对器件的损害，提高了产品在复杂电磁环境下的可靠性。
2. 总线故障保护：非“H”变体的总线故障保护为±58 V，“H”变体为±70 V，能在总线出现过压故障时保护器件不受损坏。
3. 欠压保护：“V”变体在$V_{CC}$和VIO电源端子上具有欠压保护功能，确保在电源电压不稳定时器件能正常工作。
4. 热关断保护：当器件的结温超过热关断阈值（170°C）时，会自动关闭CAN驱动电路，防止器件因过热而损坏。热关断滞后为5°C，保证了器件在温度波动时的稳定性。

（三）其他特性

1. 理想的无源特性：未供电时，总线和逻辑端子呈高阻抗（无负载）状态，不会对总线造成额外的负载，这对于部分节点未供电而网络其他部分仍在运行的情况非常重要。
2. 无毛刺操作：上电/下电时，总线和RXD输出无毛刺，保证了信号的稳定性。

三、应用领域

（一）工业自动化

在工业自动化系统中，TCAN1051系列可用于控制、传感器和驱动系统。例如，在工厂的生产线中，它可以实现传感器与控制器之间的数据通信，确保生产过程的稳定运行。同时，其高负载能力和保护特性也能适应工业环境中的复杂电磁干扰和电气故障。

（二）重型机械

在重型机械的ISOBUS应用（ISO 11783）中，该系列收发器可以实现不同设备之间的通信，如拖拉机、收割机等农业机械的各个部件之间的数据传输，提高了机械的智能化程度和操作效率。

（三）楼宇自动化

在楼宇的安全和气候控制自动化系统中，TCAN1051可以用于连接各种传感器和执行器，实现对楼宇环境的实时监测和控制。例如，通过与温度传感器、烟雾传感器等设备的连接，实现对楼宇温度、火灾等情况的实时监控。

（四）电信基站

在电信基站的状态和控制方面，该系列收发器可以实现基站内部各个模块之间的数据通信，确保基站的稳定运行和远程监控。

四、设计要点

（一）电源设计

该系列器件的$V{CC}$输入电源电压范围为4.5 V至5.5 V，部分器件的$V{IO}$输出电平转换电源输入范围为3 V至5.5 V，且两个电源输入都需要良好的稳压。建议在CAN收发器的主$V{CC}$电源输出附近放置一个4.7 μF的大容量电容，同时在器件的$V{CC}$和$V_{IO}$电源端子附近放置一个0.1 μF的旁路电容，以减少电源电压纹波，补偿PCB电源平面和走线的电阻和电感。

（二）布局设计

1. 保护和滤波电路：为了防止工业环境中可能出现的EFT和浪涌瞬变，需要使用外部瞬态保护器件。将保护和滤波电路（如TVS二极管和总线滤波电容）尽可能靠近板上的连接器放置，以防止噪声瞬变事件进一步传播到PCB和系统中。
2. 信号路径设计：按照信号路径设计总线保护组件，避免瞬态电流偏离信号路径才能到达保护器件。
3. 电源和接地平面：使用电源（$V{CC}$）和接地平面提供低电感，高频电流会遵循阻抗最小的路径，因此在旁路电容和保护器件的电源（$V{CC}$）和接地连接中至少使用两个过孔，以最小化走线和过孔电感。
4. 总线终端：ISO 11898标准规定互连使用特性阻抗为120 - Ω的双绞线电缆，应使用与线路特性阻抗相等的电阻来端接电缆的两端，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，可以使用分割终端。

五、总结

TCAN1051系列CAN收发器以其丰富的特性、广泛的应用领域和良好的兼容性，为电子工程师在CAN总线设计中提供了一个可靠的选择。在实际设计过程中，工程师们需要根据具体的应用场景和需求，合理选择器件型号，并注意电源设计和布局设计等要点，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用过程中有没有遇到过什么问题呢？或者对这个系列的收发器还有哪些疑问，欢迎在评论区留言讨论。