TJA1043：高性能高速CAN收发器详解

在汽车行业的高速CAN应用中，选择一款合适的收发器至关重要。NXP Semiconductors推出的TJA1043高速CAN收发器，凭借其出色的性能和丰富的功能，成为了众多工程师的理想之选。今天，我们就来深入剖析TJA1043，探讨它的特性、工作模式以及应用场景。

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一、产品概述

TJA1043是一款能够在CAN协议控制器和物理双线CAN总线之间提供接口的高速CAN收发器。它专为汽车行业的高速CAN应用而设计，具备差分发射和接收能力，可与带有CAN协议控制器的微控制器无缝连接。作为NXP第三代高速CAN收发器，TJA1043相较于前两代产品（如TJA1041A）有了显著的改进，在电磁兼容性（EMC）、静电放电（ESD）性能、低功耗以及电源关闭时的被动特性等方面表现出色。它还实现了ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5定义的CAN物理层，能够在CAN FD快速阶段实现高达5 Mbit/s的数据速率的可靠通信。

二、特性与优势

2.1 通用特性

• 标准合规性：符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5标准，为可靠通信提供了坚实的基础。
• 高速通信：循环延迟对称时序使得CAN FD快速阶段在高达5 Mbit/s的数据速率下仍能实现可靠通信。
• 多系统适配：适用于12 V和24 V系统，具有广泛的适用性。
• 低电磁干扰与高抗扰性：低电磁发射（EME）和高电磁抗扰性（EMI），确保在复杂电磁环境下稳定工作。$V_{10}$输入允许直接与3 V和5 V微控制器接口，简化了电路设计。
• 总线电平稳定：SPLIT电压输出有助于稳定隐性总线电平，提高通信质量。
• 诊断与故障抑制：具备监听模式，可用于节点诊断和故障抑制。
• 多种封装可选：提供SO14和HVSON14两种封装形式，其中HVSON14无引脚封装（3.0 mm × 4.5 mm）具有更好的自动光学检测（AOI）能力。
• 质量认证：通过AEC - Q100认证，且为环保型产品（无卤且符合RoHS标准）。

2.2 低功耗管理

• 极低电流模式：具有极低电流的待机和睡眠模式，并支持本地和远程唤醒功能，能够在不影响系统功能的前提下大幅降低功耗。
• 唤醒源识别：可以准确识别唤醒源，便于系统进行针对性的唤醒操作和资源分配。
• 零负载脱离：当$V_{BAT}$缺失时，收发器与总线脱离（零负载），避免对总线造成不必要的影响。
• 可靠供电行为：在所有供电条件下都具有可预测的功能行为，保证系统的稳定性。

2.3 保护与诊断功能

• 高ESD处理能力：总线引脚具有高ESD处理能力，有效保护芯片免受静电冲击的损害。
• 瞬态保护：总线引脚和$V_{BAT}$受到保护，可抵御汽车环境中的瞬态干扰。
• 故障检测与诊断：具备多种保护和诊断功能，如TXD显性超时功能、TXD - RXD短路处理、热保护、欠压检测和恢复、总线线路短路诊断、总线显性钳位诊断以及冷启动诊断等，能够及时发现并处理潜在的故障。

三、快速参考数据

Symbol	Parameter	Conditions	Min	Typ	Max	Unit
Vcc	supply voltage		4.5		5.5	V
V1o	supply voltage on pin VIo		2.8		5.5	V
Vuvd(VCc)	undervoltage detection voltage on pin Vcc		3	3.5	4.3	V
Vuvd(VIO)	undervoltage detection voltage on pin Vio	VBAT or Vcc>4.5V	0.8	1.8	2.5	V
lcc	supply current	Normal mode; bus dominant	30	48	65	mA
Normal or Listen-only mode:; bus recessive	3	6	9	mA
Standby or Sleep mode	0	0.75	2	HA
lo	supply current on pin Vi	Normal mode; VTxD = 0V(dominant)	-	150	500	HA
Normal or Listen-only mode; VTxD = Vio (recessive)	0	1	4	HA
Standby or Sleep mode	0	1	4	HA
VESD	electrostatic discharge voltage	IEC 61000 - 4 - 2 at pins CANH and CANL	-8		+8	kV
VCANH	voltage on pin CANH		58		+58	V
VCANL	voltage on pin CANL		58		+58	V
Tvj	virtual junction temperature		-40		+150	℃

这些数据为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据，确保芯片在合适的工作条件下运行。

四、工作模式

TJA1043支持五种工作模式，通过控制引脚STB_N和EN来选择不同的模式，并且可以通过引脚ERR_N访问一些诊断标志。下面我们来详细了解一下这五种模式。

4.1 正常模式

在正常模式下，收发器可以通过总线线路CANH和CANL进行数据的发送和接收。差分接收器将总线上的模拟数据转换为数字数据，并输出到引脚RXD。总线线路上输出信号的斜率由内部进行控制和优化，以确保最低的电磁发射。总线引脚通过电阻$Ri$偏置到$0.5V{CC}$，引脚INH处于激活状态，由该引脚控制的电压调节器也会随之激活。

4.2 监听模式

监听模式下，收发器的发射器被禁用，仅具备监听功能。接收器仍然可以将CANH和CANL引脚上的模拟总线信号转换为数字数据，并在引脚RXD上输出。与正常模式相同，总线引脚偏置在$0.5V_{CC}$，引脚INH保持激活状态。这种模式适用于需要对总线数据进行监控但不参与数据发送的场景。

4.3 待机模式

待机模式是TJA1043的一级节能模式，能够降低电流消耗。在该模式下，收发器无法进行数据的发送和接收，但会激活低功耗接收器来监控总线活动。总线引脚通过电阻$R_i$偏置到地电平，引脚INH仍然处于激活状态，由其控制的电压调节器也保持激活。引脚RXD和ERRN会反映任何有效的唤醒请求（前提是$V{10}$和$V_{BAT}$存在）。

4.4 进入睡眠模式

进入睡眠模式是进入睡眠模式的受控路径。在该模式下，收发器的行为与待机模式相似，但会向收发器发出进入睡眠的命令。收发器将在最短保持时间$t{h(min)}$后进入睡眠模式。如果在$t{h(min)}$过去之前，引脚STB_N或引脚EN的状态发生改变，或者Wake标志被设置，收发器将不会进入睡眠模式。

4.5 睡眠模式

睡眠模式是TJA1043的二级节能模式。可以通过进入睡眠模式进入，也可以在$V{CC}$或$V{10}$的欠压检测时间过去且相关电压水平未恢复时进入。在睡眠模式下，收发器的行为与待机模式类似，但引脚INH会被设置为浮空状态，由该引脚控制的电压调节器将被关闭，流入引脚$V_{BAT}$的电流将降至最低。引脚STB_N、EN和Wake标志可用于从睡眠模式唤醒节点。

五、内部标志

TJA1043使用了七个内部标志来实现故障保护回退模式控制和系统诊断支持。其中五个标志可以通过引脚ERR_N由控制器进行轮询，具体哪个标志在引脚ERR_N上可用取决于当前的工作模式和其他一些条件。下面我们来了解一下这些内部标志的作用。

5.1 $UV _{NOM }$标志

$UV {NOM }$是$V{CC}$和$V{IO}$欠压检测标志。当引脚$V{CC}$上的电压低于$V{CC}$欠压检测电压$V{uvd(VCC)}$的时间超过欠压检测时间$t{det(uv)}$，或者引脚$V{IO}$上的电压低于$V{uvd(VIO)}$的时间超过$t{det(uv)}$时，该标志会被设置。当$UV _{NOM }$标志被设置时，收发器会进入睡眠模式以节省功率，并确保总线不受干扰。在睡眠模式下，连接到引脚INH的电压调节器会被禁用，避免因短路情况而产生额外的功耗。任何唤醒请求、设置Pwon标志或引脚STBN上的低到高的转换都会清除$UV{NOM}$和计时器，允许电压调节器重新激活（至少直到$UV {NOM }$再次被设置）。如果$V{CC}$和$V{IO}$都恢复了超过欠压恢复时间$t{rec(uv)}$，$UV_{NOM}$也会被清除，收发器将切换到由引脚STB_N和EN上的逻辑电平指示的工作模式。

5.2 $UV_{BAT}$标志

$UV {BAT }$是$V{BAT}$欠压检测标志。当引脚$V{BAT}$上的电压低于$V{UVd(VBAT)}$时，该标志会被设置。当$UV{BAT}$被设置时，收发器会尝试进入待机模式以节省功率，并与总线脱离（零负载）。当引脚$V{BAT}$上的电压恢复时，$UV_{BAT}$会被清除，收发器将切换到由引脚STB_N和EN上的逻辑电平指示的工作模式。

5.3 Pwon标志

Pwon是$V{BAT}$上电标志。当引脚$V{BAT}$上的电压在之前低于$V{uvd(VBAT)}$（通常是因为电池断开连接）后恢复时，该标志会被设置。设置Pwon标志会清除$UV {NOM }$标志和计时器，并设置Wake和Wake - up source标志，以确保在所有供电条件下系统上电的一致性。在监听模式下，Pwon标志可以通过引脚ERR_N进行轮询，当收发器进入正常模式时，该标志会被清除。

5.4 Wake标志

Wake标志在收发器检测到本地或远程唤醒请求时被设置。当引脚WAKE上的逻辑电平发生变化，并且新的电平保持稳定至少$t{wake}$时，会检测到本地唤醒请求。Wake标志可以在待机模式、进入睡眠模式或睡眠模式下设置。设置Wake标志会清除$UV{NOM}$标志和计时器。一旦设置，Wake标志的状态会立即在引脚ERRN和RXD上可用（前提是$V{IO}$和$V{BAT}$存在）。该标志在电源开启时也会被设置，并在$UV{NOM}$标志被设置或收发器进入正常模式时被清除。

5.5 远程唤醒（通过CAN总线）

当在总线上检测到专用的唤醒模式（在ISO 11898 - 2: 2016中规定）时，TJA1043会从待机或睡眠模式中唤醒。这种过滤机制有助于避免误唤醒事件，例如由显性钳位总线、噪声或总线上的尖峰引起的显性阶段。唤醒模式由至少$t{wake(busdom)}$的显性阶段、至少$t{wake(busrec)}$的隐性阶段和至少$t{wake(busdom)}$的显性阶段组成。在上述阶段之间，短于$t{wake(busdom)}$和$t{wake(busrec)}$的显性或隐性位将被忽略。完整的显性 - 隐性 - 显性模式必须在$t{o(wake)bus}$内接收，才能被识别为有效的唤醒模式，否则内部唤醒逻辑将被重置，需要重新发送完整的唤醒模式才能触发唤醒事件。在唤醒事件触发之前，引脚RXD将保持高电平。如果在接收有效唤醒模式时发生以下任何事件，则不会在RXD上标记唤醒事件：TJA1043切换到正常模式；完整的唤醒模式未在$t{o(wake)bus}$内接收；检测到$V{CC}$或$V{IO}$欠压（$UV {NOM }$标志设置）。

5.6 Wake - up source标志

Wake - up source标志用于识别唤醒源。当通过引脚WAKE的本地唤醒请求设置Wake标志时，该标志会被设置。在正常模式下，可以通过引脚ERR_N对Wake - up source标志进行轮询。该标志在电源开启时也会被设置，并在收发器离开正常模式时被清除。

5.7 Bus failure标志

如果收发器在尝试驱动总线线路为显性时，在引脚TXD上的四个连续显性 - 隐性周期内检测到总线线路与$V{BAT}$、$V{CC}$或GND短路的情况，Bus failure标志会被设置。在正常模式下，可以通过引脚ERR_N对该标志进行轮询。该标志在电源开启时或收发器重新进入正常模式时会被清除。

5.8 Local failure标志

在正常和监听模式下，收发器可以区分四种不同的本地故障事件，任何一种事件都会导致Local failure标志被设置。这四种本地故障事件分别是：TXD显性钳位、TXD - RXD短路、总线显性钳位和过温事件。在监听模式下，可以通过引脚ERR_N对Local failure标志进行轮询。该标志在电源开启时、进入正常模式时或当RXD为显性而TXD为隐性（前提是所有本地故障已解决）或设置Pwon标志时会被清除。

六、本地故障检测

TJA1043能够检测四种不同的本地故障条件，任何一种故障都会设置Local failure标志，并且在大多数情况下会禁用收发器的发射器。

6.1 TXD显性超时功能

如果引脚TXD上出现永久低电平（由于硬件或软件应用故障），会导致CAN总线进入永久显性状态，从而阻塞所有网络通信。TXD显性超时功能通过在引脚TXD保持低电平的时间超过TXD显性超时时间$t{o(dom)TXD}$时禁用发射器，防止网络锁定。$t{o(dom)TXD}$计时器定义了最小可能的比特率为40 kbit/s。发射器将保持禁用状态，直到Local failure标志被清除。

6.2 TXD - RXD短路检测

引脚RXD和TXD之间的短路会在总线被驱动为显性后将总线锁定在永久显性状态，因为RXD的低端驱动器通常比连接到TXD的控制器的高端驱动器更强。TXD - RXD短路检测通过禁用发射器来防止这种网络锁定。发射器将保持禁用状态，直到Local failure标志被清除。

6.3 总线显性超时功能

CAN总线短路（到$V{BAT}$、$V{CC}$或GND）或其他网络节点的故障可能导致总线上的差分电压足够高，以表示总线显性状态。由于节点在总线为显性时不会开始传输，正常的总线故障检测无法检测到这种故障，但总线显性钳位检测可以。如果总线上的显性状态持续时间超过$t_{o(dom)bus}$，Local failure标志会被设置。通过检查该标志，控制器可以确定钳位总线是否阻塞了网络通信。不需要禁用发射器。需要注意的是，Local failure标志不会保留总线显性钳位故障，一旦总线恢复到隐性状态，该标志就会被释放。

6.4 过温检测

如果结温过高，发射器会及时关闭，以保护输出驱动器免受过热影响，同时不会影响最大工作温度。发射器将保持禁用状态，直到Local failure标志被清除。

七、其他重要引脚功能

7.1 SPLIT引脚

在TJA1043中使用SPLIT引脚并结合分裂终端网络，可以帮助稳定总线上的隐性电压电平。这将减少具有接地直流泄漏的网络（例如，来自总线泄漏性能较差的停用节点）中的电磁发射。在正常和监听模式下，引脚SPLIT提供0.5$V_{CC}$的直流输出电压。在待机、进入睡眠和睡眠模式下，引脚SPLIT为浮空状态。

7.2 $V_{10}$供电引脚

引脚$V_{IO}$应连接到微控制器的电源电压，这将使引脚TXD、RXD、STB_N、EN和ERR_N的信号电平调整到微控制器的I/O电平，从而便于直接接口，无需额外的胶合逻辑。

7.3 WAKE引脚

本地唤醒事件由引脚WAKE上的低到高或高到低的转换触发，这在设计本地唤醒电路时提供了最大的灵活性。为了最小化电流消耗，内部偏置电压将在延迟$t_{wake}$后跟随引脚上的逻辑