SN65HVD23x 3.3-V CAN总线收发器：设计与应用详解

在工业自动化、电机控制、建筑与气候控制等众多领域，CAN（Controller Area Network）总线凭借其高可靠性、实时性和多主通信能力，成为了数据传输的重要选择。而德州仪器（TI）的SN65HVD23x系列3.3-V CAN总线收发器，以其出色的性能和丰富的功能，为CAN网络的设计提供了强大的支持。今天，我们就来深入探讨一下这款收发器的特点、应用以及设计要点。

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一、产品概述

SN65HVD23x系列包括SN65HVD230、SN65HVD231和SN65HVD232三款产品，它们均符合ISO 11898-2高速CAN物理层标准，支持高达1 Mbps的数据速率。这些收发器专为与TI的3.3 V微处理器（µPs）、微控制器（MCUs）和数字信号处理器（DSPs）配合使用而设计，能够实现CAN控制器与差分CAN总线之间的接口功能。

（一）主要特性

1. 单3.3 V电源供电：降低了系统的功耗和成本，适用于对电源要求较高的应用场景。
2. ESD保护：总线引脚的ESD保护超过±16 kV HBM，有效提高了产品的可靠性和抗干扰能力。
3. 高输入阻抗：允许总线上连接多达120个节点，满足大规模网络的需求。
4. 可调节的驱动转换时间：通过调节驱动转换时间，改善了电磁兼容性（EMC）性能，减少了电磁干扰。
5. 多种工作模式：SN65HVD230和SN65HVD231具有高速模式、斜率控制模式和低功耗模式，可根据不同的应用需求进行选择。
6. 热关断保护：当芯片温度过高时，自动关闭驱动器，保护芯片免受损坏。
7. 开路故障安全设计：在总线开路的情况下，接收器输出保持高电平，确保系统的稳定性。
8. 无毛刺上电和掉电保护：支持热插拔应用，避免了在插拔过程中对总线造成干扰。

（二）应用领域

• 工业自动化：用于工业控制系统、传感器和驱动系统等，实现设备之间的可靠通信。
• 电机和机器人控制：为电机和机器人的控制提供实时数据传输，确保系统的精确运行。
• 建筑和气候控制（HVAC）：实现建筑物内的温度、湿度等参数的监测和控制。
• 电信和基站控制与状态监测：用于电信设备和基站的监控和管理。
• CAN总线标准应用：如CANopen、DeviceNet和CAN Kingdom等。

二、产品详细介绍

（一）引脚配置与功能

SN65HVD23x系列产品采用8引脚SOIC封装，不同型号的引脚配置略有差异。下面是各引脚的功能介绍：	引脚名称	引脚编号	类型	描述
D	1	输入	CAN发送数据输入，低电平表示显性总线状态，高电平表示隐性总线状态
GND	2	接地	接地连接
VCC	3	电源	收发器3.3 V电源电压
R	4	输出	CAN接收数据输出，低电平表示显性总线状态，高电平表示隐性总线状态
Vref	5	输出	SN65HVD230和SN65HVD231：VCC / 2参考输出引脚；SN65HVD232：无连接
CANL	6	输入/输出	低电平CAN总线线路
CANH	7	输入/输出	高电平CAN总线线路
RS	8	输入	SN65HVD230和SN65HVD231：模式选择引脚；SN65HVD232：无连接

（二）工作模式

SN65HVD230和SN65HVD231的RS引脚提供了三种不同的工作模式：

1. 高速模式：将RS引脚连接到地，允许发射器输出晶体管尽可能快地开关，上升和下降斜率无限制，适用于对数据传输速率要求较高的应用。
2. 斜率控制模式：通过在RS引脚和地之间串联一个电阻，可以调节上升和下降斜率。斜率与引脚的输出电流成正比，电阻值越大，斜率越小，电磁干扰也越小。例如，当电阻值为10 kΩ时，设备的压摆率约为15 V/μs；当电阻值为100 kΩ时，压摆率约为2 V/μs。
3. 低功耗模式：
   • SN65HVD230：当RS引脚施加高逻辑电平时，进入低电流待机模式（仅监听），驱动器关闭，接收器保持活动状态，功耗低于正常模式。
   • SN65HVD231：当RS引脚施加高逻辑电平时，进入超低电流睡眠模式，驱动器和接收器均关闭，功耗极低。

（三）电气特性

SN65HVD23x系列产品的电气特性包括绝对最大额定值、ESD额定值、推荐工作条件、热信息、电气特性（驱动器和接收器）、开关特性等。这些特性为产品的正确使用和设计提供了重要的参考依据。例如，在推荐工作条件下，电源电压范围为3 V至3.6 V，总线终端的电压范围为 -2 V至7 V，能够满足大多数应用的需求。

三、应用与设计要点

（一）典型应用电路

在典型的CAN网络应用中，SN65HVD23x收发器的连接方式如下：主机µP的CAN控制器输出（TXD）连接到收发器的D引脚，收发器的R引脚连接到CAN控制器的输入（RXD），收发器通过CANH和CANL引脚连接到差分总线线路。总线通常采用双绞线，特性阻抗为120 Ω，每个总线末端需要使用120 Ω电阻进行终端匹配，以减少信号反射。

（二）设计要点

1. CAN总线终端匹配：根据ISO11898标准，总线两端必须使用与线路特性阻抗相等的电阻进行终端匹配，以确保信号的完整性。同时，要注意终端电阻的功率额定值，避免在电源短路等异常情况下损坏电阻。
2. 环路传播延迟：收发器的环路延迟是衡量设备整体传播延迟的重要指标，它包括驱动器输入到差分输出的延迟以及接收器输入到输出的延迟。在斜率控制模式下，驱动器输出斜率变慢，环路延迟会增加，因此需要在总线长度和驱动器输出斜率之间进行权衡。
3. 总线负载、长度和节点数量：ISO11898标准规定了CAN总线的最大数据速率、总线长度、支线长度和节点数量，但通过合理的网络设计，可以突破这些限制。SN65HVD23x系列产品具有高输入阻抗和宽共模范围，支持多达120个节点的连接，但在实际应用中，需要考虑信号损失、寄生负载、网络不平衡等因素，以确保系统的可靠性。
4. 瞬态保护：为了保护收发器免受ESD、突发或浪涌等瞬态干扰的影响，通常需要在系统级添加外部保护器件，如瞬态电压抑制器（TVS）。TVS具有低电容、快速响应时间和高峰值功率耗散能力，能够有效地抑制瞬态能量，保护收发器的安全。
5. 布局设计：在PCB设计中，要遵循高频布局原则，使用VCC和接地平面提供低电感路径，合理放置保护和滤波元件，确保信号路径的顺畅。同时，要注意旁路和去耦电容的放置，以及数字线路的电流限制和噪声滤波。

四、与5-V CAN系统的兼容性

在实际应用中，可能会遇到3.3-V CAN收发器与5-V CAN系统共存的情况。SN65HVD23x系列产品在这方面表现出色，其差分输出电压和接收器输入规格与5-V CAN收发器相同，能够实现良好的互操作性。在差分信号方面，SN65HVD23x的显性差分输出电压在60欧姆负载下大于1.5 V且小于3 V，与5-V CAN收发器的要求一致；在共模信号方面，虽然存在一定的共模偏移，但差分接收器能够有效抑制这种偏移，不影响数据传输和误码率。

五、总结

SN65HVD23x系列3.3-V CAN总线收发器以其丰富的功能、出色的性能和良好的兼容性，为CAN网络的设计提供了可靠的解决方案。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的需求，合理选择工作模式，注意总线终端匹配、环路延迟、瞬态保护等设计要点，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，要关注产品的最新信息和技术发展，不断优化设计方案，提高产品的竞争力。

你在使用SN65HVD23x系列收发器的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。