探秘TJA1042高速CAN收发器：设计与应用指南

在汽车电子领域，高速CAN（Controller Area Network）通信至关重要。NXP Semiconductors的TJA1042高速CAN收发器凭借其卓越性能，成为众多汽车应用的理想选择。本文将深入剖析TJA1042的特性、功能及应用，为电子工程师提供全面的设计参考。

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一、TJA1042概述

TJA1042作为第三代高速CAN收发器，为CAN协议控制器与物理双线CAN总线之间搭建了高效接口。它专为汽车行业高速CAN应用设计，具备差分收发能力，适用于连接带有CAN协议控制器的微控制器。相比前代产品，TJA1042在电磁兼容性（EMC）和静电放电（ESD）性能上有显著提升。其特点包括：电源关闭时对CAN总线呈现理想的无源特性；低电流待机模式并支持总线唤醒功能；TJA1042T/3和TJA1042TK/3可直接与3V - 5V的微控制器接口。此外，它还符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5标准，能在CAN FD快速阶段实现高达5 Mbit/s的数据速率可靠通信。

二、特性与优势

2.1 通用特性

• 标准合规：符合ISO 11898 - 2:2016和SAE J2284 - 1至SAE J2284 - 5标准，确保在高速CAN通信中的兼容性和可靠性。
• 高速通信：保证CAN FD快速阶段数据速率高达5 Mbit/s的时序，满足汽车电子对高速数据传输的需求。
• 多电压系统适用：适用于12V和24V系统，具有广泛的应用范围。
• 低电磁干扰与高抗扰性：低电磁发射（EME）和高电磁抗扰性（EMI），减少对周围电子设备的干扰，同时提高自身的抗干扰能力。
• 灵活接口：TJA1042T/3和TJA1042TK/3的(V_{IO})输入允许直接与3V - 5V微控制器接口，增强了与不同微控制器的兼容性。
• 稳定输出：TJA1042T的SPLIT电压输出有助于稳定隐性总线电平，提高通信稳定性。
• 环保封装：提供SO8和无铅HVSON8（3.0 mm × 3.0 mm）封装，具有改进的自动光学检测（AOI）能力，且为无卤和符合RoHS标准的环保产品。
• 汽车级认证：通过AEC - Q100认证，适用于汽车应用，保证了产品在汽车环境下的可靠性和稳定性。

2.2 可预测与故障安全特性

• 低电流待机模式：具备主机和总线唤醒能力的低电流待机模式，在不影响通信功能的前提下，有效降低功耗。
• 全工况可预测性：在所有电源条件下，功能行为可预测，确保系统在各种复杂环境下的稳定运行。
• 总线零负载：未上电时，收发器与总线断开连接（零负载），避免对总线造成不必要的影响。
• 超时保护功能：具备发送数据（TXD）显性超时功能和待机模式下的总线显性超时功能，防止硬件或软件故障导致总线持续处于显性状态，保障网络通信的正常进行。
• 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，确保系统的安全性和稳定性。

2.3 保护特性

• 高ESD处理能力：总线引脚具有±8 kV的高ESD处理能力，有效防止静电对设备的损坏。
• 高电压鲁棒性：CAN引脚具有±58 V的高电压鲁棒性，能够承受汽车环境中的高电压冲击。
• 瞬态保护：总线引脚在汽车环境中受到瞬态保护，减少瞬态电压对设备的影响。
• 热保护：具备热保护功能，当虚拟结温超过设定值时，输出驱动器将被禁用，直到温度下降，避免设备因过热而损坏。

三、快速参考数据

符号	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{CC})	电源电压		4.5		5.5	V
(V_{IO})	(V_{IO})引脚电源电压		2.8		5.5	V
(V_{Uvd(VCC)})	(V_{CC})引脚欠压检测电压		3.5		4.5	V
(V_{Uvd(VIO)})	(V_{IO})引脚欠压检测电压		1.3	2.0	2.7	V
(I_{CC})	电源电流	待机模式		10	15	μA
		正常模式；总线隐性	2.5	5	10	mA
		正常模式；总线显性	20	45	70	mA
(I_{IO})	(V_{IO})引脚电源电流	待机模式；(V{TXD} = V{IO})	5		14	μA
		正常模式；隐性；(V{TXD} = V{IO})	15	80	200	μA
		正常模式；显性；(V_{TXD} = 0V)		350	1000	μA
(V_{ESD})	静电放电电压	IEC 61000 - 4 - 2在CANH和CANL引脚	-8		+8	kV
(V_{CANH})	CANH引脚电压		-58		+58	V
(V_{CANL})	CANL引脚电压		-58		+58	V
(T_{vj})	虚拟结温		-40		+150	°C

这些数据为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据，确保系统在合适的电压、电流和温度范围内正常工作。

四、订购信息

TJA1042有不同的型号和封装可供选择：	型号	封装	名称描述	版本
TJA1042T	SO8	塑料小外形封装；8引脚；体宽3.9 mm	SOT96 - 1
TJA1042T/3	SO8	塑料小外形封装；8引脚；体宽3.9 mm	SOT96 - 1
TJA1042TK/3	HVSON8	塑料热增强超薄小外形封装；无引脚；8端子；体尺寸3 × 3 × 0.85 mm	SOT782 - 1

工程师可根据具体应用需求选择合适的型号和封装。

五、功能描述

5.1 工作模式

TJA1042支持正常和待机两种工作模式，通过STB引脚进行选择。

• 正常模式：STB引脚为低电平时，收发器进入正常模式。在此模式下，收发器可通过CANH和CANL总线线路进行数据的收发。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，以确保最低的电磁发射（EME）。
• 待机模式：STB引脚为高电平时，收发器进入待机模式。在待机模式下，收发器无法正常进行数据的收发，发射器和正常模式接收器模块关闭以降低电源电流，仅由低功耗差分接收器监测总线线路的活动。低功耗接收器输出端的唤醒滤波器不会锁定总线显性状态，确保只有持续时间超过(t{fltr(wake)bus})的总线显性和隐性状态才会反映在RXD引脚上。总线线路在待机模式下被偏置到地，以最小化系统电源电流。即使只有(V{IO})作为电源电压，低功耗接收器也能检测CAN总线的活动。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。

5.2 故障安全特性

• TXD显性超时功能：当TXD引脚设置为低电平时，启动“TXD显性超时定时器”。如果TXD引脚的低电平状态持续时间超过(t_{to(dom)TXD})，发射器将被禁用，总线线路恢复到隐性状态。该功能可防止硬件和/或软件应用故障导致总线线路持续处于显性状态，从而阻塞所有网络通信。当TXD引脚设置为高电平时，TXD显性超时定时器复位。TXD显性超时时间也定义了最小可能的比特率为40 kbit/s。
• 总线显性超时功能：在待机模式下，当CAN总线从隐性状态变为显性状态时，启动“总线显性超时定时器”。如果总线上的显性状态持续时间超过(t_{to(dom)bus})，RXD引脚将被复位为高电平。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总线钳位显性状态产生永久唤醒请求。当CAN总线从显性状态变为隐性状态时，总线显性超时定时器复位。
• TXD和STB输入引脚内部偏置：TXD和STB引脚内部上拉到(V_{IO})，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，这些引脚上都会有上拉电流流动。在待机模式下，应将这两个引脚保持为高电平，以最小化待机电流。
• (V{CC})和(V{IO})引脚欠压检测：如果(V{CC})下降到(V{CC})欠压检测电平(V{Uvd(VCC)})以下，收发器将切换到待机模式，直到(V{CC})恢复正常，此时将忽略STB引脚的逻辑状态。如果(V{IO})下降到(V{IO})欠压检测电平(V{Uvd(VIO)})以下，收发器将关闭并与总线断开连接（零负载），直到(V{IO})恢复正常。
• 过温保护：输出驱动器具备过温保护功能。如果虚拟结温超过关断结温(T{j(sd)})，输出驱动器将被禁用，直到虚拟结温下降到(T{j(sd)})以下且TXD再次变为隐性状态。包含TXD条件可确保避免因温度漂移导致的输出驱动器振荡。

5.3 SPLIT输出引脚和(V_{IO})电源引脚

TJA1042有两种版本，仅在引脚5的功能上有所不同，引脚5可以是SPLIT输出引脚或(V_{IO})电源引脚。

• SPLIT引脚：TJA1042T上的SPLIT引脚与分割终端网络配合使用，有助于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中的电磁发射（例如，来自总线泄漏性能较差的停用节点）。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。
• (V_{IO})电源引脚：TJA1042T/3和TJA1042TK/3上的(V{IO})引脚应连接到微控制器的电源电压，以将TXD、RXD和STB引脚的信号电平调整到微控制器的I/O电平。(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，也可以监测总线线路的活动。对于没有(V{IO})引脚的TJA1042版本，(V{IO})输入在内部连接到(V{CC})，这将TXD、RXD和STB引脚的信号电平设置为与5V微控制器兼容的电平。

六、应用信息

6.1 应用图示

文档中提供了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示，为工程师在实际设计中提供了参考。

6.2 应用提示

关于TJA1042的更多应用信息，可参考NXP应用提示AH1014 “Application Hints - Standalone high speed CAN transceiver TJA1042/TJA1043/TJA1048/TJA1051”。

七、测试信息

文档中给出了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，同时表明该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。

八、封装外形

TJA1042提供SO8和HVSON8两种封装，文档详细给出了这两种封装的外形尺寸和相关参数，方便工程师进行PCB设计。

九、焊接信息

9.1 焊接概述

焊接是将封装连接到印刷电路板（PCB）以形成电路的常见方法，焊接接头提供机械和电气连接。不同的IC封装适用于不同的焊接方法，波峰焊适用于通孔和表面贴装器件（SMD）混合的印刷线路板，但不适用于细间距SMD；回流焊则适用于小型化带来的小间距和高密度封装。

9.2 波峰焊和回流焊

• 波峰焊：通过液态焊料的驻波进行焊接，适用于通孔组件、粘贴在印刷电路板表面的有引脚或无引脚SMD。但并非所有SMD都适合波峰焊，如带有焊球的封装和一些底部有焊盘的无引脚封装，以及引脚间距小于约0.6 mm的有引脚SMD，由于桥接概率增加，不适合波峰焊。
• 回流焊：先在电路板上涂覆焊膏，然后放置组件并进行温度曲线处理。有引脚封装、带有焊球的封装和无引脚封装都可以进行回流焊。波峰焊和回流焊的关键特性包括电路板规格、封装焊盘、封装的湿度敏感度等级、组件放置、检查和修复以及无铅焊接与SnPb焊接等方面。

9.3 回流焊注意事项

回流焊中，无铅回流工艺通常比SnPb工艺需要更高的最低峰值温度，从而减小了工艺窗口。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组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接接头，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，其峰值温度要求不同，文档中给出了SnPb共晶工艺和无铅工艺下不同封装厚度和体积对应的回流温度表。此外，必须始终遵守包装上标明的湿度敏感度预防措施。

十、总结

TJA1042高速CAN收发器凭借其丰富的特性、可靠的故障安全功能和灵活的应用方式，为汽车电子领域的高速CAN通信提供了优秀的解决方案。电子工程师在设计过程中，应充分考虑其各项参数和特性，结合具体应用需求，合理选择型号和封装，并注意焊接等工艺问题，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用TJA1042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。