具備 CAN FD 的 TCAN33x 3.3V CAN 收發(fā)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子等領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線憑借其高可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，成為了設(shè)備間通信的重要選擇。而具備 CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率）的 TCAN33x 3.3V CAN 收發(fā)器，更是為 CAN 網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的活力。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款收發(fā)器的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

TCAN33x 器件系列與 ISO 11898 高速 CAN 物理層標(biāo)準(zhǔn)兼容，包括 TCAN330、TCAN332、TCAN334 和 TCAN337 及其對(duì)應(yīng)的 G 系列（TCAN330G、TCAN332G、TCAN334G 和 TCAN337G）。其中，G 系列器件的數(shù)據(jù)速率高達(dá) 5Mbps，而非 G 系列的數(shù)據(jù)傳輸速率均高達(dá) 1Mbps。

二、特性亮點(diǎn)

2.1 電源與速率

• 單電源工作：采用 3.3V 單電源工作，可直接連接 3.3V CAN 控制器/MCU，同時(shí)還能與同一總線上的其他 5V CAN 收發(fā)器完全兼容，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。
• 高速數(shù)據(jù)傳輸：TCAN33xG 器件的數(shù)據(jù)速率高達(dá) 5Mbps，能夠滿足高速通信的需求，適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 封裝與模式

• 多種封裝選項(xiàng)：提供 SOIC - 8 和 SOT - 23 封裝選項(xiàng)。SOIC - 8 封裝便于插接，而 SOT - 23 封裝則更適合空間受限的應(yīng)用，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。
• 豐富的工作模式：
  • 正常模式：所有器件都支持正常模式，在此模式下，CAN 驅(qū)動(dòng)和接收器完全工作，實(shí)現(xiàn)雙向 CAN 通信。
  • 低功耗待機(jī)模式：TCAN334 具備具有喚醒功能的低功耗待機(jī)模式，可有效降低系統(tǒng)功耗。在待機(jī)模式下，CAN 驅(qū)動(dòng)和主接收器關(guān)閉，但低功耗接收器和總線監(jiān)視器仍處于工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到總線活動(dòng)時(shí)，可通過 RXD 輸出喚醒請(qǐng)求，使設(shè)備恢復(fù)正常工作。
  • 靜音模式：TCAN330 和 TCAN337 支持靜音模式，在該模式下，CAN 驅(qū)動(dòng)禁用，接收器正常工作，實(shí)現(xiàn)單向接收功能，適用于只需要監(jiān)聽總線數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。
  • 關(guān)斷模式：TCAN330 和 TCAN334 具備關(guān)斷模式，此模式下 CAN 驅(qū)動(dòng)和接收器均關(guān)閉，功耗最低，可在系統(tǒng)不需要通信時(shí)使用。

2.3 電氣性能

• 寬共模工作電壓范圍：具有 ±12V 的寬共模工作電壓范圍，能夠適應(yīng)復(fù)雜的電氣環(huán)境，保證在不同的共模電壓下正常工作。
• 總線引腳故障保護(hù)：提供 ±14V 的總線引腳故障保護(hù)，可有效防止總線引腳因過壓、短路等故障而損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 低環(huán)路延遲：總環(huán)路延遲 < 135ns，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，減少了通信延遲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
• 寬工作溫度范圍：工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作。

2.4 保護(hù)特性

• ESD 保護(hù)：總線引腳具備出色的 ESD 保護(hù)，HBM ESD 保護(hù)超過 ±25kV，IEC61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電保護(hù)超過 ±12kV，有效防止靜電對(duì)器件的損害。
• 顯性超時(shí)保護(hù)：具有驅(qū)動(dòng)器顯性超時(shí)（TXD DTO）和接收器顯性超時(shí)（RXD DTO）特性，可防止因硬件或軟件故障導(dǎo)致的總線阻塞，確保 CAN 網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。當(dāng) TXD 或 RXD 長(zhǎng)時(shí)間處于顯性狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的超時(shí)機(jī)制會(huì)使總線恢復(fù)到隱性狀態(tài)，避免局部故障影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。
• 故障輸出引腳：僅 TCAN337 具備故障輸出引腳，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，該引腳會(huì)輸出信號(hào)，方便工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排查問題。
• 欠壓保護(hù)：具備 (V_{CC}) 欠壓保護(hù)功能，當(dāng)電源電壓低于閾值時(shí)，器件會(huì)進(jìn)入保護(hù)模式，將總線置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，防止對(duì)總線造成干擾。
• 熱關(guān)斷保護(hù)：當(dāng)器件的結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉 CAN 驅(qū)動(dòng)電路，避免器件因過熱而損壞。當(dāng)溫度下降到一定程度后，器件會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常工作。
• 總線引腳限流：對(duì) CAN 總線引腳進(jìn)行限流保護(hù)，防止短路時(shí)過大的電流對(duì)器件和總線造成損害。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 高速 CAN 網(wǎng)絡(luò)

TCAN33xG 器件可實(shí)現(xiàn)具有靈活數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)的 CAN 中的 5Mbps 運(yùn)行，適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的高速 CAN 網(wǎng)絡(luò)，如汽車電子中的動(dòng)力系統(tǒng)控制、工業(yè)自動(dòng)化中的高速數(shù)據(jù)采集等。

3.2 高負(fù)載 CAN 網(wǎng)絡(luò)

在高負(fù)載 CAN 網(wǎng)絡(luò)中，TCAN33x 系列器件可實(shí)現(xiàn) 1Mbps 的穩(wěn)定運(yùn)行，能夠滿足大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，如工業(yè)自動(dòng)化中的多節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化中的設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。

3.3 其他應(yīng)用

該系列器件還廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、控制、傳感器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，樓宇、安全和溫度控制自動(dòng)化，電信基站狀態(tài)和控制等領(lǐng)域，以及 CANopen、DeviceNet、NMEA2000、ARINC825、ISO11783、CANaerospace 等 CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用場(chǎng)景。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 總線負(fù)載與節(jié)點(diǎn)數(shù)量

在 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，需要考慮總線負(fù)載、節(jié)點(diǎn)數(shù)量和電纜長(zhǎng)度等因素。ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)據(jù)速率、最大電纜長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的限制，但通過合理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可以突破這些限制。TCAN33x 系列器件具有高輸入阻抗和寬共模范圍，能夠適應(yīng)較多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要為信號(hào)損失、寄生負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)不平衡、接地偏移和信號(hào)完整性等因素留出余量，以確保系統(tǒng)的可靠性。

4.2 總線終端

CAN 總線的終端非常重要，ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用 120Ω 特征阻抗的雙絞線電纜，并在電纜兩端使用 120Ω 的電阻進(jìn)行終端匹配，以防止信號(hào)反射。也可以采用分裂終端的方式，將終端電阻分為兩個(gè) 60Ω 的電阻，并在中間通過電容接地，提供共模濾波功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意終端電阻的功率額定值，以應(yīng)對(duì)可能的短路情況。

4.3 電源與布局

• 電源：為了確保器件在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，每個(gè)電源應(yīng)使用 100nF 的陶瓷電容進(jìn)行去耦，并將電容盡可能靠近 (V_{CC}) 電源引腳放置?？梢允褂?TPS76333 等線性電壓調(diào)節(jié)器為 3.3V 電源供電。
• 布局：在 PCB 設(shè)計(jì)中，需要注意以下幾點(diǎn)：
  • 瞬態(tài)保護(hù)：在 CANH 和 CANL 引腳上使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）和電容進(jìn)行額外的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，并將這些器件盡可能靠近連接器放置，以防止瞬態(tài)能量和噪聲進(jìn)入電路板的其他網(wǎng)絡(luò)。
  • 總線終端：如果在電路板上放置終端電阻，需要確保終端節(jié)點(diǎn)不會(huì)從總線上移除，以免影響信號(hào)完整性。
  • 去耦電容：旁路和大容量電容應(yīng)盡可能靠近收發(fā)器的電源引腳放置，以減少電源噪聲。
  • 接地和電源連接：使用至少兩個(gè)過孔連接 (V_{CC}) 和接地，以減少走線和過孔的電感。
  • 數(shù)字輸入和輸出：可以使用串聯(lián)電阻限制數(shù)字線路的電流，并使用電容過濾數(shù)字 I/O 線路上的噪聲。
  • 故障輸出引腳：對(duì)于 TCAN337 的故障輸出引腳，需要使用外部上拉電阻將引腳電壓拉高，以實(shí)現(xiàn)正常工作。
  • TXD 輸入引腳：如果使用開漏輸出的主機(jī)處理器驅(qū)動(dòng) TXD 引腳，需要使用 1kΩ 至 10kΩ 的外部上拉電阻，以確保器件的隱性輸入狀態(tài)。

五、總結(jié)

TCAN33x 3.3V CAN 收發(fā)器以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的電氣性能，為 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件和工作模式，并注意總線負(fù)載、終端匹配、電源和布局等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。希望本文對(duì)大家在使用 TCAN33x 收發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助，你在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。