深入解析TCAN1042-Q1系列CAN收发器：特性、应用与设计要点

在汽车和工业领域，CAN（Controller Area Network）总线因其高可靠性和实时性，成为了设备间通信的重要手段。今天，我们就来深入探讨TI公司的TCAN1042-Q1系列CAN收发器，看看它有哪些独特的特性，适用于哪些应用场景，以及在设计中需要注意哪些要点。

文件下载：TCAN1042HGDRQ1.pdf

一、产品概述

TCAN1042-Q1系列包括TCAN1042-Q1、TCAN1042V-Q1、TCAN1042H-Q1等多种型号，该系列产品满足AEC-Q100（grade 1）标准，适用于汽车应用，同时符合ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007物理层标准。它还具备功能安全能力，提供相关文档以辅助功能安全系统设计。

二、产品特性

（一）高速通信能力

• 支持经典CAN和2 Mbps的CAN FD（灵活数据速率），带有“G”后缀的型号更支持5 Mbps的数据速率，能够满足高数据速率的应用需求。
• 短而对称的传播延迟时间和快速的环路时间，增强了时序裕量，即使在负载较重的CAN网络中也能实现更高的数据速率。

（二）出色的EMC性能

该系列产品支持SAE J2962-2和IEC 62228-3（最高500 kbps）标准，无需共模扼流圈，有效降低了系统成本和设计复杂度。

（三）宽电压范围支持

I/O电压范围支持3.3 V和5 V的MCU，具有良好的兼容性，方便与不同电压的微控制器连接。

（四）理想的无源特性

未供电时，总线和逻辑端子呈高阻抗状态，无负载，对总线无影响。上电和下电过程中，总线和RXD输出无毛刺，确保系统的稳定运行。

（五）多重保护功能

• ESD保护：具备高达±15 kV的IEC ESD保护，有效防止静电对设备的损坏。
• 总线故障保护：非“H”变体的总线故障保护为±58 V，“H”变体为±70 V，提高了设备在复杂环境下的可靠性。
• 欠压保护：仅“V”变体在(V{CC})和(V{IO})电源端子具备欠压保护功能，确保设备在电源异常时的安全。
• 驱动主导超时（TXD DTO）：数据速率低至10 kbps，防止因硬件或软件故障导致TXD长时间处于主导状态，影响网络通信。
• 热关断保护（TSD）：当结温超过阈值时，关闭CAN驱动电路，保护设备不受过热损坏。

（六）低功耗待机模式

该系列产品具有低功耗待机模式，并支持远程唤醒请求功能，可有效降低系统功耗。

三、应用场景

（一）汽车和交通运输

适用于高度负载的CAN网络，如汽车的动力系统、车身电子等，能够满足汽车电子对可靠性和实时性的要求。

（二）重型机械ISOBUS应用

符合ISO 11783标准，可用于重型机械的通信系统，实现设备间的高效数据传输。

（三）高速CAN应用

满足SAE J2284、GMW3122等标准，适用于汽车高速CAN网络，为汽车的智能化发展提供支持。

四、产品规格

（一）绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
(V_{cc})（5-V总线供电电压范围）	-0.3	7	V
(V_{Io})（I/O电平转换电压范围，“V”后缀设备）	-0.3	7	V
(V_{BUS})（CAN总线I/O电压范围，无“H”后缀设备）	-58	58	V
(V_{BUS})（CAN总线I/O电压范围，有“H”后缀设备）	-70	70	V
...	...	...	...

（二）ESD评级

• HBM分类等级：所有引脚为3A（±6000 V），全局引脚CANH和CANL相对于GND为3B（±16000 V）。
• CDM分类等级：所有引脚为C6（±1500 V）。
• 机器模型（MM）：±200 V。

（三）推荐工作条件

参数	最小值	最大值	单位
(V_{CC})（5-V总线供电电压范围）	4.5	5.5	V
(V_{IO})（I/O电平转换电压范围）	3	5.5	V
...	...	...	...

（四）热信息

不同封装的热阻参数有所不同，如D（SOIC）封装的结到空气热阻为105.8 °C/W，DRB（VSON）封装为48.3 °C/W。热关断温度为170 °C，热关断迟滞为5 °C。

（五）功率评级

在不同的工作条件下，平均功率耗散不同。例如，典型CAN工作条件（500 kbps，25%传输率）下为52 mW，高负载CAN工作条件（1 Mbps，50%传输率）下为124 mW。

（六）电气特性

涵盖了电源特性、STB和TXD端子特性、RXD端子特性、驱动和接收器电气特性等多个方面，详细规定了各项参数的取值范围。

（七）开关特性

包括总环路延迟、模式切换时间、驱动和接收器的传播延迟时间等参数，确保设备在不同工作状态下的快速响应。

五、功能描述

（一）TXD主导超时（DTO）

在正常模式下，TXD DTO电路可防止因硬件或软件故障导致TXD长时间处于主导状态，影响网络通信。当TXD在超时时间(t_{TXD_DTO})内未出现上升沿时，CAN总线驱动将被禁用，释放总线供其他节点通信。

（二）热关断（TSD）

当设备的结温超过热关断阈值(T{TSD})时，CAN驱动电路将被关闭，总线端子偏置到隐性电平，接收器到RXD路径仍可正常工作。当结温下降到低于热关断温度(T{TSD})至少热关断迟滞温度(T_{TSD_HYS})时，关闭状态将被清除。

（三）欠压锁定

当(V{CC})或(V{IO})电源端子出现欠压事件时，设备将进入保护模式，保护总线不受影响。不同类型的设备在欠压时的状态有所不同，具体可参考文档中的表格。

（四）未供电设备特性

未供电时，设备对CAN总线呈“理想无源”状态，总线和逻辑端子的泄漏电流极低，避免对总线和其他电路造成负载。

（五）浮动端子处理

关键端子具有内部上拉电阻，当端子浮空时，可使设备处于已知状态。TXD端子上拉到(V{CC})或(V{IO})，STB端子上拉可使设备进入低功耗待机模式。

（六）CAN总线短路电流限制

设备具备驱动电流限制和TXD主导状态超时保护功能，可限制CAN总线短路时的电流。平均短路电流可根据公式计算，设计时需考虑网络的短路电流和可能的故障情况，合理选择终端电阻和其他网络组件的功率额定值。

（七）数字输入和输出

• 无“V”后缀设备：由单一5-V电源供电，数字输入具有TTL输入阈值，与5 V和3.3 V兼容，RXD输出高电平时驱动到(V{CC})，TXD和STB引脚内部上拉到(V{CC})。
• 有“V”后缀设备：使用5 V (V{CC})电源为CAN驱动和高速接收器模块供电，同时具备用于I/O电平转换的(V{IO})电源，可设置TXD和RXD的CMOS输入阈值和高电平输出电压，TXD和STB内部上拉到(V_{IO})。

（八）设备功能模式

• 正常模式：将STB端子置低，CAN驱动和接收器完全工作，CAN通信双向进行。
• 待机模式：将STB端子置高，进入低功耗待机模式。此时总线发射器不发送数据，正常模式接收器不接收数据，总线线路偏置到地以降低系统电源电流，仅低功耗接收器监测总线活动。当检测到唤醒模式（WUP）时，RXD输出低电平，指示唤醒事件。

六、应用设计要点

（一）总线负载、长度和节点数量

ISO 11898-2标准规定了总线的最大长度和最大分支长度，但通过精心设计，可增加电缆长度、分支长度和节点数量。TCAN1042系列收发器具有高输入阻抗，理论上支持单总线段最多100个收发器，但实际应用中需考虑信号损失、寄生负载、网络不平衡等因素，合理确定节点数量。

（二）CAN终端

ISO 11898标准规定使用120-Ω特性阻抗的双绞线电缆，并在电缆两端使用与特性阻抗相等的电阻进行终端，以防止信号反射。可采用标准终端或分裂终端，分裂终端可改善网络的电磁发射行为。

（三）电源供应

设备的(V{CC})输入电源电压范围为4.5 V至5.5 V，部分设备的(V{IO})电源范围为3 V至5.5 V，两个电源输入都需良好稳压。在CAN收发器的(V{CC})和(V{IO})电源端子附近应分别放置大容量电容（通常为4.7 μF）和旁路电容（通常为0.1 μF），以减少电源电压纹波。

（四）布局设计

• 保护和滤波电路应靠近总线连接器，防止瞬变、ESD和噪声进入电路板。可使用瞬态电压抑制（TVS）设备和总线滤波电容，必要时可在CANH和CANL线上放置共模扼流圈。
• 设计总线保护组件时应遵循信号路径方向，避免瞬态电流偏离信号路径。
• 使用电源和接地平面提供低电感，旁路和大容量电容应尽可能靠近收发器的电源端子。
• 总线终端可采用分裂终端，提供共模滤波功能。
• 为限制数字线路的电流，可使用串联电阻，但不是必需的。

七、总结

TCAN1042-Q1系列CAN收发器以其高速通信能力、出色的EMC性能、多重保护功能和低功耗待机模式，为汽车和工业领域的CAN网络应用提供了可靠的解决方案。在设计过程中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择型号，并注意总线负载、终端、电源供应和布局设计等要点，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用TCAN1042系列收发器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。