探索TJA1042高速CAN收发器：特性、应用与设计要点

在汽车电子领域，CAN（Controller Area Network）总线作为一种可靠的通信协议，被广泛应用于各种车载系统中。而TJA1042高速CAN收发器，凭借其出色的性能和丰富的特性，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下TJA1042这款产品。

文件下载：TJA1042T,118.pdf

一、TJA1042概述

TJA1042是恩智浦半导体（NXP）推出的第三代高速CAN收发器，它为CAN协议控制器和物理双线CAN总线之间提供了接口。该收发器专为汽车行业的高速CAN应用而设计，具备差分发送和接收能力，可与带有CAN协议控制器的微控制器配合使用。

与前两代产品相比，TJA1042在电磁兼容性（EMC）和静电放电（ESD）性能方面有了显著提升。它还具有理想的无源特性，在电源电压关闭时对CAN总线呈现零负载；具备低电流待机模式，并支持通过CAN总线唤醒；TJA1042T/3和TJA1042TK/3版本可直接与3V至5V的微控制器接口。此外，TJA1042实现了ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5定义的CAN物理层，能够在CAN FD快速阶段以高达5 Mbit/s的数据速率实现可靠通信。

二、特性与优势

2.1 通用特性

• 标准兼容性：符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5标准，确保了在CAN网络中的兼容性和互操作性。
• 高速通信：在CAN FD快速阶段，保证数据速率高达5 Mbit/s的定时准确性，满足高速通信需求。
• 电源适应性：适用于12V和24V系统，具有广泛的电源适应性。
• 电磁性能：低电磁辐射（EME）和高电磁抗扰度（EMI），减少了电磁干扰对系统的影响。
• 接口灵活性：TJA1042T/3和TJA1042TK/3的$V_{IO}$输入允许直接与3V至5V的微控制器接口，提高了系统设计的灵活性。
• 封装选择：提供SO8和无铅HVSON8（3.0 mm × 3.0 mm）封装，其中HVSON8封装具有更好的自动光学检测（AOI）能力。
• 环保特性：符合无卤和有害物质限制（RoHS）标准，是绿色环保产品。
• 汽车级认证：通过AEC - Q100认证，适用于汽车应用。

2.2 可预测和故障安全特性

• 低电流待机模式：具有主机和总线唤醒能力，在待机模式下电流极低，有助于降低系统功耗。
• 可预测行为：在所有电源条件下，功能行为可预测，确保系统的稳定性。
• 总线分离：未上电时，收发器与总线分离（零负载），避免对总线产生不必要的影响。
• 超时功能：具备发送数据（TXD）主导超时功能和总线主导超时功能，防止硬件或软件故障导致总线永久处于主导状态。
• 欠压检测：对$V{CC}$和$V{IO}$引脚进行欠压检测，当电压低于设定值时，采取相应的保护措施。

2.3 保护特性

• ESD保护：总线引脚具有高ESD处理能力（±8 kV），能够有效抵御静电放电的影响。
• 电压鲁棒性：CAN引脚具有高电压鲁棒性（±58 V），可承受较大的电压波动。
• 瞬态保护：总线引脚针对汽车环境中的瞬态干扰进行了保护，提高了系统的可靠性。
• 热保护：具备热保护功能，防止输出驱动器因过热而损坏。

三、关键参数

3.1 电源参数

• $V_{CC}$：电源电压范围为4.5V至5.5V。
• $V_{IO}$：$V_{IO}$引脚的电源电压范围为2.8V至5.5V。
• 欠压检测电压：$V{CC}$引脚的欠压检测电压为3.5V至4.5V，$V{IO}$引脚的欠压检测电压为1.3V至2.7V。

3.2 电流参数

• $I_{CC}$：待机模式下电流为10μA至15μA，正常模式下，总线隐性时电流为2.5mA至10mA，总线显性时电流为20mA至70mA。
• $I_{IO}$：$V_{IO}$引脚在待机模式下电流为5μA至14μA，正常模式下，隐性时电流为15μA至200μA，显性时电流为350μA至1000μA。

3.3 其他参数

• ESD电压：CANH和CANL引脚的ESD电压为±8 kV。
• CAN引脚电压：CANH和CANL引脚的电压范围为±58 V。
• 虚拟结温：虚拟结温范围为 - 40°C至 + 150°C。

四、引脚信息

4.1 引脚配置

TJA1042有三种不同的封装版本，分别是TJA1042T（SO8）、TJA1042T/3（SO8）和TJA1042TK/3（HVSON8），它们的引脚配置有所不同。具体的引脚配置图可参考数据手册。

4.2 引脚描述

符号	引脚	描述
TXD	1	发送数据输入
GND	2	接地
$V_{CC}$	3	电源电压
RXD	4	接收数据输出
SPLIT	5	仅TJA1042T版本有，共模稳定输出
$V_{IO}$	5	仅TJA1042T/3和TJA1042TK/3版本有，I/O电平适配器电源电压
CANL	6	低电平CAN总线线路
CANH	7	高电平CAN总线线路
STB	8	待机模式控制输入

五、工作模式

5.1 正常模式

当STB引脚为低电平时，收发器进入正常模式。在该模式下，收发器可以通过CANH和CANL总线线路发送和接收数据。差分接收器将总线上的模拟数据转换为数字数据，并输出到RXD引脚。总线线路上输出信号的斜率由内部控制，以确保最低的电磁辐射。

5.2 待机模式

当STB引脚为高电平时，收发器进入待机模式。在该模式下，收发器无法通过总线线路发送或正确接收数据。为了降低电源电流，发送器和正常模式接收器模块被关闭，只有一个低功耗差分接收器监视总线线路的活动。低功耗接收器输出端的唤醒滤波器不会锁存总线主导状态，只有持续时间超过$t_{fltr(wake)bus}$的总线主导和隐性状态才会反映在RXD引脚上。在待机模式下，总线线路被偏置到地，以最小化系统电源电流。当RXD引脚变为低电平以发出唤醒请求时，直到STB引脚被强制为低电平，才会触发向正常模式的转换。

六、故障安全特性

6.1 TXD主导超时功能

当TXD引脚设置为低电平时，TXD主导超时定时器启动。如果TXD引脚的低电平状态持续时间超过$t_{o(dom)TXD}$，发送器将被禁用，总线线路释放到隐性状态。该功能可防止硬件和/或软件应用故障导致总线线路永久处于主导状态，从而阻塞所有网络通信。当TXD引脚设置为高电平时，TXD主导超时定时器将被重置。TXD主导超时时间还定义了最小可能的比特率为40 kbit/s。

6.2 总线主导超时功能

在待机模式下，当CAN总线从隐性状态变为主导状态时，“总线主导超时”定时器启动。如果总线上的主导状态持续时间超过$t_{o(dom)bus}$，RXD引脚将被重置为高电平。该功能可防止由于总线短路或网络中其他节点故障导致的钳位主导总线产生永久唤醒请求。当CAN总线从主导状态变为隐性状态时，总线主导超时定时器将被重置。

6.3 TXD和STB输入引脚的内部偏置

TXD和STB引脚具有内部上拉到$V_{IO}$的电阻，以确保在这些引脚悬空时处于安全、定义的状态。在所有状态下，这些引脚的上拉电流都很低。在待机模式下，两个引脚都应保持高电平，以最小化待机电流。

6.4 $V{CC}$和$V{IO}$引脚的欠压检测

如果$V{CC}$下降到$V{uvd(VCC)}$以下，收发器将切换到待机模式，直到$V{CC}$恢复正常，STB引脚的逻辑状态将被忽略。如果$V{IO}$下降到$V{uvd(VIO)}$以下，收发器将关闭并与总线分离（零负载），直到$V{IO}$恢复正常。

6.5 过温保护

输出驱动器具有过温保护功能。如果虚拟结温超过关断结温$T{j(sd)}$，输出驱动器将被禁用，直到虚拟结温降至$T{j(sd)}$以下且TXD变为隐性状态。包括TXD条件可避免由于温度漂移导致的输出驱动器振荡。

七、SPLIT输出引脚和$V_{IO}$电源引脚

7.1 SPLIT引脚

TJA1042T版本的SPLIT引脚可与分裂终端网络配合使用，有助于稳定总线上的隐性电压电平。在正常模式下，SPLIT引脚提供0.5$V{CC}$的直流输出电压。在待机模式或$V{CC}$关闭时，SPLIT引脚处于浮空状态。当不使用时，SPLIT引脚应保持开路。

7.2 $V_{IO}$电源引脚

TJA1042T/3和TJA1042TK/3版本的$V{IO}$引脚应连接到微控制器的电源电压，以调整TXD、RXD和STB引脚的信号电平，使其与微控制器的I/O电平相匹配。$V{IO}$引脚还为收发器的低功耗差分接收器提供内部电源电压。对于运行在低功耗模式下的应用，即使$V{CC}$引脚没有电源电压，也可以通过$V{IO}$引脚监视总线线路的活动。对于没有$V{IO}$引脚的TJA1042版本，$V{IO}$输入内部连接到$V_{CC}$，这使得TXD、RXD和STB引脚的信号电平与5V微控制器兼容。

八、应用信息

8.1 应用图

数据手册中提供了TJA1042T与5V微控制器以及TJA1042T/3或TJA1042TK/3与3V微控制器的典型应用图，这些应用图展示了收发器与微控制器的连接方式以及相关的外围电路。

8.2 应用提示

更多关于TJA1042应用的详细信息可参考恩智浦的应用提示AH1014 “Application Hints - Standalone high speed CAN transceiver TJA1042/TJA1043/TJA1048/TJA1051”。

九、测试信息

9.1 测试电路

数据手册中提供了CAN收发器的定时测试电路和测量收发器驱动器对称性的测试电路，这些测试电路可用于对TJA1042进行性能测试。

9.2 质量信息

TJA1042产品已通过汽车电子委员会（AEC）标准Q100 Rev - G的认证，适用于汽车应用。

十、封装信息

TJA1042提供SO8和HVSON8两种封装。SO8封装为塑料小外形封装，有8个引脚，体宽为3.9 mm；HVSON8封装为塑料热增强超薄小外形封装，无引脚，有8个端子，体尺寸为3x3x 0.85 mm。数据手册中提供了两种封装的详细外形尺寸图和相关参数。

十一、焊接信息

11.1 焊接方法概述

焊接是将封装连接到印刷电路板（PCB）以形成电路的常用方法。常见的焊接方法有波峰焊和回流焊。波峰焊适用于通孔元件和表面贴装器件（SMD）混合的印刷线路板，但不适用于细间距SMD。回流焊适用于小间距和高密度的封装，随着小型化的发展，回流焊更为常用。

11.2 波峰焊

波峰焊是通过液态焊料的驻波来形成焊点的连接技术。在波峰焊过程中，需要注意一些关键特性，如粘合剂和助焊剂的应用、引脚的固定、电路板的运输、焊料波参数以及元件暴露在波中的时间等。同时，焊料浴的温度和杂质也会影响焊接质量。

11.3 回流焊

回流焊过程包括在电路板上涂覆焊膏、放置元件，然后通过温度曲线进行加热。在回流焊中，需要考虑铅焊和无铅焊的区别，无铅回流焊通常需要更高的最低峰值温度，从而减小了工艺窗口。此外，还需要注意焊膏印刷问题，如涂抹、脱模以及为电路板上大小元件混合调整工艺窗口。回流温度曲线包括预热、回流（将电路板加热到峰值温度）和冷却阶段，峰值温度必须足够高以确保焊料形成可靠的焊点，同时又不能过高以免损坏封装和/或电路板。不同厚度和体积的封装，其回流温度要求也不同，具体可参考数据手册中的相关表格。在整个焊接过程中，必须始终遵守包装上标明的湿度敏感性预防措施。

十二、总结

TJA1042高速CAN收发器以其出色的性能、丰富的特性和可靠的保护机制，为汽车CAN网络应用提供了一个优秀的解决方案。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择封装、配置工作模式，并注意焊接等工艺问题，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，要充分利用其故障安全特性和保护功能，提高系统的抗干扰能力和容错能力。希望本文对大家了解和应用TJA1042有所帮助，你在使用TJA1042过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。