MCP2561/2FD高速CAN灵活数据速率收发器：设计与应用解析

在汽车电子、工业自动化等领域，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，其性能直接影响着整个通信网络的稳定性和效率。今天，我们就来深入探讨Microchip Technology Inc.推出的MCP2561/2FD高速CAN灵活数据速率收发器。

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一、产品概述

MCP2561/2FD是Microchip公司第二代高速CAN收发器，专为CAN FD（Flexible Data rate）协议优化，支持2Mbps、5Mbps和8Mbps的数据速率。它不仅具备第一代产品的特性，还在环路延迟对称性和最大传播延迟等方面进行了改进，以满足更高数据速率和更长总线长度的需求。

（一）产品特性

1. 高性能通信：优化的CAN FD操作，确保在2Mbps、5Mbps和8Mbps数据速率下稳定通信。最大传播延迟仅为120ns，环路延迟对称性在2Mbps时为 -10%/+10%，有效提高数据传输的准确性和可靠性。
2. 标准兼容性：完全符合ISO - 11898 - 2和ISO - 11898 - 5标准的物理层要求，保证了与各种CAN系统的兼容性。
3. 低功耗设计：典型待机电流仅为5µA，有效降低系统功耗，延长设备续航时间。
4. 宽电压接口：VIO电源引脚可直接与1.8V至5.5V I/O的CAN控制器和微控制器接口，增强了系统的灵活性和适应性。
5. 总线保护功能：具备多种保护机制，如CAN总线引脚在设备未供电时自动断开，防止未供电节点或欠压事件对总线造成负载；检测接地故障，提供电源复位和欠压保护，防止短路和高压瞬变损坏，以及自动热关断保护等，确保设备在恶劣环境下稳定运行。
6. 高ESD保护：CANH和CANL引脚具有高达±14kV的ESD保护（MCP2561FD），满足IEC61000 - 4 - 2标准，有效抵御静电干扰。
7. 多种封装形式：提供PDIP - 8L、SOIC - 8L和3x3 DFN - 8L等多种封装选择，方便不同应用场景的设计。
8. 宽温度范围：支持扩展温度范围（-40°C至 +125°C）和高温范围（-40°C至 +150°C），适用于各种恶劣环境。

（二）产品家族成员

MCP2561/2FD系列包括MCP2561FD和MCP2562FD两款产品，它们在功能上略有差异：

• MCP2561FD：具有SPLIT引脚，用于在偏置分裂终端方案中稳定共模电压。
• MCP2562FD：具有VIO引脚，为数字I/O引脚提供内部电平转换功能。

二、工作模式

MCP2561/2FD支持两种工作模式：正常模式和待机模式，用户可以通过STBY引脚进行模式切换。

（一）正常模式

当STBY引脚施加低电平电压时，设备进入正常模式。在正常模式下，驱动器模块工作，可驱动总线引脚，CANH和CANL输出信号的斜率经过优化，以产生最小的电磁辐射（EME）。同时，高速差分接收器处于激活状态，确保数据的高速准确接收。

（二）待机模式

当STBY引脚施加高电平电压时，设备进入待机模式。在待机模式下，发射器和接收器的高速部分关闭，以最小化功耗。低功耗接收器和唤醒滤波器模块启用，用于监测总线活动。当检测到总线活动时，CAN控制器可通过STBY引脚将设备切换回正常模式，实现高速数据通信。

三、功能模块解析

（一）发射器功能

CAN总线有显性（Dominant）和隐性（Recessive）两种状态。当TXD输入为低电平时，CANH和CANL处于显性状态；当TXD输入为高电平时，CANH和CANL处于隐性状态，但如果其他CAN节点以显性状态驱动总线，则显性状态优先。

（二）接收器功能

在正常模式下，RXD输出引脚反映CANH和CANL之间的差分总线电压。当CAN总线处于显性状态时，RXD输出为低电平；当CAN总线处于隐性状态时，RXD输出为高电平。

（三）内部保护功能

1. 短路和瞬态保护：CANH和CANL引脚受到保护，可防止电池短路和CAN总线上可能出现的电瞬变，避免发射器输出级在故障条件下损坏。
2. 热关断保护：当结温超过标称极限（+175°C）时，热关断电路将禁用输出驱动器，降低芯片温度，保护设备免受总线短路引起的损坏。
3. 永久显性检测：设备可检测TXD输入和总线上的永久显性状态，并采取相应措施，如在正常模式下检测到TXD输入长时间为低电平时，禁用CANH和CANL输出驱动器；在待机模式下检测到总线上的永久显性状态时，将RXD引脚设置为隐性状态。
4. 电源复位和欠压检测：对VDD和VIO引脚进行欠压检测，确保设备在电源异常时正常工作。在正常模式下，当VDD电压低于欠压水平时，CANH和CANL进入高阻抗状态；在待机模式下，低功耗接收器仅在VDD和VIO电压高于各自的欠压阈值时启用。

（四）引脚功能

MCP2561/2FD的引脚功能丰富，不同引脚承担着不同的作用：

• TXD：发送数据输入引脚，连接CAN控制器的发送数据输出端。
• VSS：接地引脚。
• VDD：电源电压引脚，为发射器和接收器供电。
• RXD：接收数据输出引脚，连接CAN控制器的接收数据输入端。
• SPLIT（仅MCP2561FD）：参考电压输出引脚，在正常模式下输出VDD/2的电压。
• VIO（仅MCP2562FD）：数字I/O电源引脚，为数字I/O引脚提供电源。
• CANL和CANH：CAN总线的低电平电压和高电平电压I/O引脚，在设备未供电时与总线断开。
• STBY：待机模式输入引脚，用于切换设备的工作模式。
• EP：暴露的散热焊盘，建议连接到VSS以增强电磁抗扰性和热阻。

四、电气特性

（一）术语定义

文档中对多个描述CAN收发器电气特性的术语进行了定义，如总线电压（VCANL和VCANH）、共模总线电压范围、差分内部电容（CDIFF）、差分内部电阻（RDIFF）、差分电压（VDIFF）等，这些术语为准确理解和设计CAN系统提供了基础。

（二）绝对最大额定值

了解设备的绝对最大额定值对于确保设备的安全使用至关重要。MCP2561/2FD的绝对最大额定值包括电压、温度、ESD保护等多个方面，如CANH、CANL和SPLIT引脚的直流电压范围为 -58V至 +58V，存储温度范围为 -55°C至 +150°C，ESD保护在不同引脚和不同标准下有不同的要求等。

（三）直流特性

详细的直流特性参数为电路设计提供了重要依据，包括电源引脚（VDD和VIO）的电压范围、供电电流、待机电流，总线引脚（CANH和CANL）的发射和接收特性，如输出电压、输出电流、输入电压阈值、输入电阻、输入电容等。

（四）交流特性

交流特性参数反映了设备在高速数据传输时的性能，如位时间、位频率、延迟时间、传播延迟、环路延迟对称性等。这些参数对于确保CAN系统的高速稳定通信至关重要。

（五）热特性

热特性参数包括温度范围和热阻等，了解这些参数有助于合理设计散热方案，确保设备在不同温度环境下正常工作。

五、典型应用与注意事项

（一）典型应用

为了满足EMC/EMI要求，当数据速率大于1Mbps时，可能需要使用共模扼流圈（CMC）。文档中给出了MCP2561FD和MCP2562FD的典型应用电路示例，为工程师的设计提供了参考。

（二）注意事项

在使用MCP2561/2FD时，需要注意以下几点：

1. 电源稳定性：确保VDD和VIO电源电压稳定，避免电压波动对设备性能产生影响。
2. 引脚连接：正确连接各个引脚，特别是STBY引脚用于模式切换，TXD和RXD引脚用于数据传输，CANH和CANL引脚连接到CAN总线。
3. 散热设计：根据设备的工作环境和功耗要求，合理设计散热方案，确保设备在正常温度范围内工作。
4. EMC/EMI防护：采取适当的EMC/EMI防护措施，如使用共模扼流圈、滤波电容等，减少电磁干扰。

六、总结

MCP2561/2FD高速CAN灵活数据速率收发器凭借其高性能、低功耗、丰富的保护功能和良好的兼容性，在CAN总线系统中具有广泛的应用前景。电子工程师在设计CAN通信系统时，可以根据具体需求选择合适的产品型号和封装形式，并结合电气特性和典型应用电路进行合理设计。同时，注意产品的使用注意事项，确保设备的稳定可靠运行。你在使用MCP2561/2FD过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。