深入剖析TJA1043高速CAN收发器：特性、应用与设计要点

在电子工程师的日常工作中，CAN收发器是实现控制器局域网（CAN）通信不可或缺的组件。今天，我们就来详细探讨NXP Semiconductors推出的TJA1043高速CAN收发器，看看它在高速CAN应用中都有哪些出色的表现。

文件下载：TJA1043TK 1Y.pdf

一、TJA1043概述

TJA1043是一款专为汽车行业高速CAN应用设计的收发器，它在CAN协议控制器和物理双线CAN总线之间提供了可靠的接口。作为NXP第三代高速CAN收发器，相较于第一代和第二代设备（如TJA1041A），TJA1043在电磁兼容性（EMC）、静电放电（ESD）性能方面有显著提升，同时具备极低的功耗和在电源关闭时的被动特性。

二、特性亮点

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，能实现CAN FD快速阶段高达5 Mbit/s的数据可靠通信。
• 低电磁发射与高抗扰性：低电磁发射（EME）和高电磁抗扰性（EMI），其(V_{10})输入允许直接与3 V和5 V微控制器接口。
• 稳定的隐性总线电平：SPLIT电压输出有助于稳定隐性总线电平，减少网络中的电磁干扰。
• 多种工作模式：具备监听模式，可用于节点诊断和故障抑制，还提供SO14和HVSON14两种封装形式，其中HVSON14封装（3.0 mm × 4.5 mm）具有更好的自动光学检测（AOI）能力。
• 汽车级认证：通过AEC - Q100认证，是无卤且符合有害物质限制（RoHS）的环保产品。

2.2 低功耗管理

• 超低电流模式：具备极低电流的待机和睡眠模式，支持本地、远程和主机唤醒功能，可在唤醒时识别唤醒源。
• 零负载特性：当(V_{BAT})缺失时，收发器与总线断开连接（零负载），且在所有电源条件下功能行为可预测。

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，能有效抵御静电放电的影响。
• 瞬态保护：总线引脚和(V_{BAT})针对汽车环境中的瞬态干扰进行了保护。
• 多种诊断功能：包括发送数据（TXD）主导超时功能、TXD到RXD短路处理、热保护、欠压检测和恢复、总线线路短路诊断、总线主导钳位诊断以及冷启动诊断等。

三、关键数据速览

参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{CC})	-	4.5	-	5.5	V
(V_{IO})	-	2.8	-	5.5	V
(I_{CC})	正常模式；总线主导	30	48	65	mA
正常或监听模式；总线隐性	3	6	9	mA
待机或睡眠模式	0	0.75	2	(mu A)

四、引脚信息

4.1 引脚配置

TJA1043有SO14和HVSON14两种封装，不同封装的引脚配置有所不同，但都包含TXD（发送数据输入）、RXD（接收数据输出）、(V{CC})（收发器电源电压）、(V{IO})（I/O电平适配器电源电压）等关键引脚。

4.2 引脚描述

• TXD：用于输入发送数据。
• RXD：从总线线路读取数据并输出。
• (V_{CC})：为收发器提供电源。
• (V_{IO})：为I/O电平适配器供电，可使信号电平与微控制器的I/O电平相匹配。
• EN：使能控制输入，用于控制收发器的工作状态。
• INH：用于切换外部电压调节器的抑制输出。
• ERR_N：错误和上电指示输出（低电平有效）。
• WAKE：本地唤醒输入。
• (V_{BAT})：电池供电电压。
• SPLIT：共模稳定输出。
• CANL 和 CANH：分别为低电平和高电平CAN总线线路。
• STB_N：待机控制输入（低电平有效）。

五、工作模式详解

TJA1043支持五种工作模式，通过控制引脚STB_N和EN进行选择，不同模式下的功能和功耗有所差异。

5.1 正常模式

在正常模式下，收发器可通过CANH和CANL总线线路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输出到RXD引脚，同时内部会优化总线线路输出信号的斜率，以保证最低的电磁发射（EME）。此时，INH引脚有效，由其控制的电压调节器也处于激活状态。

5.2 监听模式

监听模式下，收发器的发射器被禁用，仅接收总线上的信号。接收器仍能将CANH和CANL引脚上的模拟总线信号转换为数字数据，并通过RXD引脚输出。与正常模式相同，总线引脚偏置为(0.5 V_{CC})，INH引脚保持有效。

5.3 待机模式

待机模式是TJA1043的一级节能模式，可降低电流消耗。在此模式下，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。总线引脚偏置为地电平，INH引脚仍然有效，由其控制的电压调节器也处于激活状态。RXD和ERRN引脚会反映任何有效的唤醒请求（前提是(V{IO})和(V_{BAT})存在）。

5.4 睡眠模式准备

睡眠模式准备是进入睡眠模式的受控路径。在此模式下，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模式的命令。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)})之前STB_N或EN引脚的状态发生变化，或者唤醒标志被设置，收发器将不会进入睡眠模式。

5.5 睡眠模式

睡眠模式是TJA1043的二级节能模式。可通过睡眠模式准备进入，也可在(V{CC})或(V{IO})的欠压检测时间超过且相关电压未恢复时进入。在睡眠模式下，INH引脚浮空，由其控制的电压调节器将关闭，(V_{BAT})引脚的电流将降至最低。可通过STB_N、EN引脚和唤醒标志将节点从睡眠模式唤醒。

六、内部标志与故障检测

6.1 内部标志

TJA1043利用七个内部标志进行故障安全回退模式控制和系统诊断支持，其中五个标志可通过ERR_N引脚由控制器进行轮询。不同的标志在不同的工作模式下可用，且标志的清除条件也各不相同。

• (UV_{NOM})标志：(V{CC})和(V{IO})欠压检测标志。当(V{CC})或(V{IO})引脚的电压低于欠压检测电压且持续时间超过欠压检测时间时，该标志被设置，收发器将进入睡眠模式以节省功率并确保总线不受干扰。任何唤醒请求、设置Pwon标志或STB_N引脚从低到高的转换都将清除该标志。
• (UV_{BAT})标志：(V{BAT})欠压检测标志。当(V{BAT})引脚的电压低于(V{UVd(VBAT)})时，该标志被设置，收发器将尝试进入待机模式以节省功率并与总线断开连接。当(V{BAT})电压恢复时，该标志被清除。
• Pwon标志：(V{BAT})上电标志。当(V{BAT})引脚的电压在之前低于(V{uvd(VBAT)})后恢复时，该标志被设置，同时清除(UV{NOM})标志和定时器。在监听模式下，可通过ERR_N引脚轮询该标志，进入正常模式时该标志被清除。
• Wake标志：唤醒标志。当收发器检测到本地或远程唤醒请求时，该标志被设置。本地唤醒请求通过WAKE引脚的逻辑电平变化检测，且新电平需保持稳定至少(t{wake})时间。该标志可在待机模式、睡眠模式准备或睡眠模式下设置，设置后会清除(UV{NOM})标志和定时器。在电源上电时该标志也会被设置，当(UV_{NOM})标志被设置或收发器进入正常模式时，该标志被清除。
• 远程唤醒：TJA1043可在总线上检测到特定的唤醒模式（由ISO 11898 - 2:2016规定）时从待机或睡眠模式唤醒，以避免误唤醒事件。唤醒模式由至少(t{wake(busdom)})的主导阶段、至少(t{wake(busrec)})的隐性阶段和至少(t{wake(busdom)})的主导阶段组成，整个模式必须在(t{o(wake)bus})内接收才能被识别为有效唤醒模式。
• 唤醒源标志：用于识别唤醒源。当Wake标志由通过WAKE引脚的本地唤醒请求设置时，该标志被设置。在正常模式下，可通过ERR_N引脚轮询该标志，离开正常模式时该标志被清除。
• 总线故障标志：当收发器在尝试驱动总线线路为显性状态时，在TXD引脚的四个连续显性 - 隐性周期内检测到总线线路短路到(V{BAT})、(V{CC})或GND的情况时，该标志被设置。在正常模式下，可通过ERR_N引脚轮询该标志，电源上电或重新进入正常模式时该标志被清除。
• 本地故障标志：在正常和监听模式下，收发器可区分四种不同的本地故障事件（TXD主导钳位、TXD到RXD短路、总线主导钳位和过温事件），任何一种事件发生都会设置该标志。在监听模式下，可通过ERR_N引脚轮询该标志，电源上电、进入正常模式或在所有本地故障解决的情况下，当RXD为显性而TXD为隐性时，该标志被清除。

6.2 本地故障检测

• TXD主导超时功能：防止因TXD引脚持续为低电平（硬件或软件应用故障）导致CAN总线进入永久主导状态，从而阻塞网络通信。当TXD引脚保持低电平的时间超过TXD主导超时时间(t_{to(dom)TXD})时，发射器将被禁用，直到本地故障标志被清除。
• TXD到RXD短路检测：若RXD和TXD引脚之间发生短路，会导致总线进入永久主导状态。检测到短路后，发射器将被禁用，直到本地故障标志被清除。
• 总线主导超时功能：当CAN总线发生短路（到(V{BAT})、(V{CC})或GND）或其他网络节点出现故障时，总线上的差分电压可能足够高以表示总线主导状态。若总线主导状态持续时间超过(t_{to(dom)bus})，则设置本地故障标志，通过检查该标志，控制器可确定是否存在总线钳位阻塞网络通信的情况。
• 过温检测：当结温过高时，发射器将及时关闭，以保护输出驱动器不被过热损坏，同时不影响最大工作温度。发射器将保持禁用状态，直到本地故障标志被清除。

七、其他重要特性

7.1 SPLIT引脚应用

SPLIT引脚与分割终端网络配合使用，可帮助稳定总线上的隐性电压电平，减少在存在直流接地泄漏（如来自总线泄漏性能不佳的停用节点）的网络中的电磁发射。在正常和监听模式下，SPLIT引脚提供(0.5 V_{CC})的直流输出电压；在待机、睡眠模式准备和睡眠模式下，SPLIT引脚浮空。

7.2 (V_{IO})电源引脚

(V_{IO})引脚应连接到微控制器的电源电压，这样可以使TXD、RXD、STB_N、EN和ERR_N引脚的信号电平与微控制器的I/O电平相匹配，无需额外的逻辑电路即可实现直接接口。

7.3 WAKE引脚

WAKE引脚的电平从低到高或从高到低的转换可触发本地唤醒事件，这在设计本地唤醒电路时提供了极大的灵活性。为了最小化电流消耗，内部偏置电压将在延迟(t{wake})后跟随引脚的逻辑状态。在不使用本地唤醒功能的应用中，建议将WAKE引脚连接到(V{BAT})或GND，以确保最佳的电磁干扰（EMI）性能。

八、应用与设计要点

8.1 典型应用电路

文档中给出了TJA1043与3 V微控制器的典型应用电路，展示了如何将TJA1043与其他组件连接以构建完整的CAN通信系统。在实际应用中，还可参考NXP应用提示AH1014获取更多应用信息。

8.2 焊接与封装

TJA1043提供SO14和HVSON14两种封装形式，不同封装的焊接方法有所不同。常见的焊接方法包括波峰焊和回流焊，其中波峰焊适用于通孔组件和部分表面贴装器件（SMD），回流焊则更适合小间距和高密度的组件。在焊接过程中，需要考虑电路板规格、封装焊盘、湿度敏感度等因素，以确保焊接质量。对于HVSON封装，可参考应用笔记AN10365和AN10366获取更详细的焊接信息。

8.3 绝对最大额定值与特性

在设计电路时，必须确保TJA1043的工作参数不超过其绝对最大额定值，如电池供电电压(V_{BAT})、引脚电压、电流等。同时，要参考其静态和动态特性，了解其在不同工作模式下的电源电流、输入输出电压、延迟时间等参数，以保证系统的稳定性和可靠性。

综上所述，TJA1043高速CAN收发器凭借其出色的性能、丰富的功能和良好的兼容性，成为了高速CAN网络设计的理想选择。作为电子工程师，在进行CAN通信系统设计时，充分了解和合理应用TJA1043的各项特性，将有助于提高系统的性能和可靠性。大家在实际应用过程中遇到过哪些与CAN收发器相关的问题呢？欢迎一起交流探讨。