UJA1076A：高速 CAN 核心系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片的全面解析

在電子工程師的日常工作中，尋找一款性能卓越、功能豐富且穩(wěn)定可靠的芯片至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討 NXP 推出的 UJA1076A 高速 CAN 核心系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC），看看它能為我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)哪些驚喜。

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一、概述

UJA1076A 是一款專為高速控制器局域網(wǎng)（CAN）應(yīng)用設(shè)計(jì)的核心系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，它能替代電子控制單元（ECU）中常見的基本分立組件。該芯片支持以高速 CAN 作為主要網(wǎng)絡(luò)接口的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，可用于控制電源和傳感器外設(shè)。其內(nèi)部集成了高速 CAN 收發(fā)器、先進(jìn)獨(dú)立看門狗（UJA1076A/xx/WD 版本）、兩個(gè)電壓調(diào)節(jié)器、串行外設(shè)接口（SPI）等多種設(shè)備，同時(shí)還具備先進(jìn)的低功耗概念、安全可控的系統(tǒng)啟動(dòng)行為以及詳細(xì)的系統(tǒng)和子系統(tǒng)狀態(tài)報(bào)告等功能。

從應(yīng)用角度來(lái)看，UJA1076A 適用于眾多需要高速 CAN 通信的場(chǎng)景，如汽車電子中的各種控制單元、工業(yè)自動(dòng)化中的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等。大家在實(shí)際項(xiàng)目中，是否也遇到過(guò)需要類似功能芯片的場(chǎng)景呢？

二、特性與優(yōu)勢(shì)

（一）通用特性

UJA1076A 集成了全套 CAN ECU 功能，包括 CAN 收發(fā)器、可為微控制器和外圍電路提供高達(dá) 250 mA 電流的可擴(kuò)展 3.3 V 或 5 V 電壓調(diào)節(jié)器，以及為 CAN 收發(fā)器單獨(dú)供電的 5 V 電壓調(diào)節(jié)器。同時(shí)，它還具備帶窗口和超時(shí)模式以及片內(nèi)振蕩器的看門狗、用于與微控制器通信的串行外設(shè)接口（SPI）等。

該芯片專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有增強(qiáng)的電磁兼容性（EMC）性能，在 CAN 總線引腳和喚醒引腳上提供 ±8 kV 的人體模型（HBM）靜電放電（ESD）保護(hù)和 ±6 kV 的 IEC 61000 - 4 - 2 靜電放電保護(hù)，CAN 總線引腳還具備 ±58 V 的短路保護(hù)功能，電池和 CAN 總線引腳也能根據(jù) ISO 7637 - 3 標(biāo)準(zhǔn)防止瞬態(tài)干擾。此外，它支持通過(guò) CAN 總線進(jìn)行遠(yuǎn)程閃存編程，采用 6.1 mm × 11 mm 的 HTSSOP32 小型封裝，具有低熱阻、無(wú)鉛、符合有害物質(zhì)限制指令（RoHS）和深綠標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

（二）CAN 收發(fā)器

UJA1076A 的 CAN 收發(fā)器符合 ISO 11898 - 2 和 ISO 11898 - 5 標(biāo)準(zhǔn)，采用專用的低壓差電壓調(diào)節(jié)器為 CAN 總線供電，獨(dú)立于微控制器電源，顯著提高了 EMC 性能。在電源關(guān)閉時(shí)，總線連接真正處于浮動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)還設(shè)有 SPLIT 輸出引腳，可用于穩(wěn)定隱性總線電平。

（三）電源管理

UJA1076A 支持通過(guò) CAN 或本地喚醒引腳喚醒，并能檢測(cè)喚醒源。它有兩個(gè)喚醒引腳（WAKE1 和 WAKE2），可通過(guò)關(guān)閉這兩個(gè)引腳來(lái)減少電流流動(dòng)。同時(shí)，還設(shè)有輸出信號(hào)（WBIAS）用于偏置喚醒引腳，采樣時(shí)間可選 16 ms 或 64 ms。該芯片具備低待機(jī)電流和全喚醒能力的待機(jī)模式，以及低睡眠電流和全喚醒能力的睡眠模式。

（四）控制與診斷特性

UJA1076A 在各種條件下都能保證安全和可預(yù)測(cè)的行為，擁有可編程的獨(dú)立時(shí)鐘源看門狗，支持窗口、超時(shí)（可選循環(huán)喚醒）和關(guān)閉模式，并在中斷時(shí)自動(dòng)重新啟用。它還配備 16 位串行外設(shè)接口（SPI）用于配置、控制和診斷，設(shè)有全局使能輸出用于控制安全關(guān)鍵硬件，以及跛行回家輸出（LIMP）用于在系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)激活特定的“跛行回家”硬件。此外，芯片具備過(guò)溫關(guān)機(jī)功能、中斷輸出引腳和雙向復(fù)位引腳，可支持多種微控制器，并能通過(guò)軟件發(fā)起系統(tǒng)復(fù)位。

（五）電壓調(diào)節(jié)器

1. 主電壓調(diào)節(jié)器 V1：V1 是為微控制器、其外設(shè)和額外的外部收發(fā)器供電的可擴(kuò)展電壓調(diào)節(jié)器，有 ±2 % 的精度，提供 3.3 V 和 5 V 兩種版本，最大可輸出 250 mA 電流。通過(guò)與外部 PNP 晶體管結(jié)合使用，可更好地實(shí)現(xiàn) PCB 上的熱量分布，還能選擇外部 PNP 晶體管開始提供電流的閾值。當(dāng)輸出電壓降至標(biāo)稱值的 90 % 時(shí)，會(huì)發(fā)出欠壓警告，降至 90 % 或 70 % 時(shí)會(huì)觸發(fā)欠壓復(fù)位。該調(diào)節(jié)器可在低至 4.5 V 的 $V_{BAT}$ 電壓下工作，且在各種條件下都能保持穩(wěn)定輸出。
2. CAN 收發(fā)器電壓調(diào)節(jié)器 V2：V2 是為片內(nèi)高速 CAN 收發(fā)器供電的專用電壓調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出電壓降至標(biāo)稱值的 90 % 時(shí)會(huì)發(fā)出欠壓警告。它可以關(guān)閉，此時(shí) CAN 收發(fā)器可由 V1 或外部電壓調(diào)節(jié)器供電，能在低至 5.5 V 的 $V_{BAT}$ 電壓下工作，同樣在各種條件下輸出穩(wěn)定。

三、訂購(gòu)信息

UJA1076A 有多種型號(hào)可供選擇，如 UJA1076ATW/5V0/WD、UJA1076ATW/3V3/WD 等。其中，UJA1076ATW/5V0xx 版本包含 5 V 調(diào)節(jié)器（V1），UJA1076ATW/3V3xx 版本包含 3.3 V 調(diào)節(jié)器（V1），帶有 WD 的版本則包含看門狗。

四、功能描述

（一）系統(tǒng)控制器

UJA1076A 的系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)管理寄存器配置和控制內(nèi)部功能，收集詳細(xì)的設(shè)備狀態(tài)信息并提供給微控制器，同時(shí)還提供復(fù)位和中斷信號(hào)。它是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，芯片具有多種工作模式，包括關(guān)閉模式、待機(jī)模式、正常模式、睡眠模式和過(guò)溫模式。

1. 關(guān)閉模式：當(dāng)電池供電電壓降至斷電檢測(cè)閾值（$(V{th(det)poff })$）以下時(shí)，芯片會(huì)從其他模式切換到關(guān)閉模式。在此模式下，電壓調(diào)節(jié)器禁用，總線系統(tǒng)處于高阻狀態(tài)，CAN 總線引腳浮動(dòng)。當(dāng)電池供電電壓升至通電檢測(cè)閾值（$(V{th(det)pon })$）以上時(shí)，芯片進(jìn)入待機(jī)模式并執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位。
2. 待機(jī)模式：芯片可從關(guān)閉模式、睡眠模式、過(guò)溫模式或正常模式進(jìn)入待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，V1 開啟，CAN 收發(fā)器可處于低功耗狀態(tài)或完全關(guān)閉，看門狗可運(yùn)行在超時(shí)模式或關(guān)閉模式。當(dāng)滿足特定條件時(shí)，芯片會(huì)退出待機(jī)模式。
3. 正常模式：通過(guò)設(shè)置模式控制寄存器（Table 5）中的 MC 位為 10（V2 禁用）或 11（V2 啟用），可從待機(jī)模式進(jìn)入正常模式。在正常模式下，CAN 物理層啟用或處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)滿足某些條件時(shí)，芯片會(huì)退出正常模式。
4. 睡眠模式：通過(guò)設(shè)置模式控制寄存器中的 MC 位為 01，可從待機(jī)模式或正常模式進(jìn)入睡眠模式，但需滿足無(wú)掛起中斷、無(wú)喚醒事件且至少有一個(gè)喚醒源啟用的條件。在睡眠模式下，V1 和 V2 關(guān)閉，CAN 收發(fā)器關(guān)閉或處于低功耗狀態(tài)，看門狗關(guān)閉，復(fù)位引腳為低電平。CAN 或本地喚醒事件會(huì)使芯片切換到待機(jī)模式并產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。
5. 過(guò)溫模式：當(dāng)芯片溫度超過(guò)過(guò)溫保護(hù)激活閾值（$T{th(act)otp }$）時(shí)，芯片從正常模式或待機(jī)模式進(jìn)入過(guò)溫模式。在此模式下，電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉，總線系統(tǒng)處于高阻狀態(tài)，RSTN 引腳為低電平，跛行回家功能激活。當(dāng)溫度降至過(guò)溫保護(hù)釋放閾值（$T{th(rel)otp }$）以下時(shí)，芯片進(jìn)入待機(jī)模式并產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。

（二）SPI

UJA1076A 的串行外設(shè)接口（SPI）支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸，用于與微控制器通信。它使用四個(gè)接口信號(hào)進(jìn)行同步和數(shù)據(jù)傳輸，位采樣在時(shí)鐘下降沿進(jìn)行，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿移位。SPI 的消息頭前三位（A2, A1 和 A0）定義寄存器地址，第四位（RO）定義所選寄存器為讀寫或只讀。

（三）看門狗（UJA1076A/xx/WD 版本）

該芯片支持窗口、超時(shí)和關(guān)閉三種看門狗模式，看門狗周期可通過(guò) WD_and_Status 寄存器中的 NWP 控制位進(jìn)行編程，默認(rèn)周期為 128 ms。在不同模式下，看門狗的行為有所不同，某些看門狗事件會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)立即復(fù)位。通過(guò)強(qiáng)制 WDOFF 引腳為高電平或在待機(jī)模式下設(shè)置 WMC 位為 1，可完全關(guān)閉看門狗。

（四）系統(tǒng)復(fù)位

多種事件會(huì)導(dǎo)致 UJA1076A 執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位，如 V1 欠壓、外部復(fù)位、看門狗溢出等。芯片提供 RSTN 引腳、EN 引腳和 LIMP 引腳用于處理復(fù)位事件。

（五）電源供應(yīng)

1. 電池引腳（BAT）：芯片只有一個(gè)電源引腳 BAT，需串聯(lián)外部二極管以防止負(fù)電壓。其工作范圍為 4.5 V 至 28 V，最大可承受 40 V 電壓。當(dāng) BAT 引腳電壓降至斷電檢測(cè)閾值以下時(shí)，芯片進(jìn)入關(guān)閉模式；當(dāng)電壓升至通電檢測(cè)閾值以上時(shí)，芯片進(jìn)入待機(jī)模式。
2. 電壓調(diào)節(jié)器 V1：V1 由 BAT 引腳供電，可為微控制器、其外設(shè)和額外的收發(fā)器提供 3.3 V 或 5 V、最大 250 mA 的電流。為防止設(shè)備過(guò)熱，可連接外部 PNP 晶體管，通過(guò) Mode_Control 寄存器中的 PDC 位調(diào)節(jié)功率耗散分布。同時(shí)，需在 V1 和 VEXCC 引腳之間連接電阻進(jìn)行短路保護(hù)，選擇合適的電阻值時(shí)需考慮晶體管的熱性能。
3. 電壓調(diào)節(jié)器 V2：V2 專為高速 CAN 收發(fā)器提供 5 V 電源，可通過(guò) Mode_Control 寄存器中的 MC 位激活和停用。當(dāng)輸出電壓降至標(biāo)稱值的 90 % 以下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生欠壓警告。

（六）CAN 收發(fā)器

UJA1076A 的 CAN 收發(fā)器模擬部分與 TJA1042/TJA1043 集成的部分相同，適用于汽車行業(yè)的高速（高達(dá) 1 Mbit/s）CAN 應(yīng)用，具備差分發(fā)送和接收能力。

1. CAN 工作模式：包括主動(dòng)模式和低功耗/關(guān)閉模式。在主動(dòng)模式下，收發(fā)器可通過(guò) CANH 和 CANL 引腳發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；在低功耗模式下，可通過(guò) CANH 和 CANL 引腳遠(yuǎn)程喚醒，關(guān)閉模式下則完全斷電以降低靜態(tài)電流消耗。
2. Split 電路：SPLIT 引腳在 CAN 主動(dòng)模式下提供 0.5V $0.5 ~V_{V 2}$ 的直流穩(wěn)定電壓，可用于穩(wěn)定隱性共模電壓。
3. 故障安全特性：具備 TXDC 顯性超時(shí)功能和 TXDC 引腳內(nèi)部上拉電阻，可防止硬件和/或軟件應(yīng)用故障導(dǎo)致總線線路處于永久顯性狀態(tài)。

（七）本地喚醒輸入

芯片設(shè)有兩個(gè)本地喚醒引腳（WAKE1 和 WAKE2），可通過(guò) Int_Control 寄存器中的 WIC1 和 WIC2 位獨(dú)立配置喚醒引腳的邊緣靈敏度，也可禁用喚醒功能。喚醒引腳的采樣可與 WBIAS 信號(hào)同步，采樣時(shí)間通過(guò) Mode_Control 寄存器中的 WBC 位選擇。

（八）中斷輸出

INTN 引腳是一個(gè)低電平有效、開漏輸出的中斷引腳，當(dāng)至少有一個(gè)中斷掛起時(shí)，該引腳為低電平。通過(guò)向 Int_Status 寄存器中的相應(yīng)位寫入 1，可清除中斷。在包含看門狗的設(shè)備中，當(dāng)看門狗在待機(jī)模式或正常模式下切換到超時(shí)模式時(shí)，會(huì)啟用循環(huán)中斷（CI）。

（九）溫度保護(hù)

在正常模式和待機(jī)模式下，芯片會(huì)監(jiān)測(cè)溫度。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，芯片進(jìn)入過(guò)溫模式，此時(shí) RSTN 引腳為低電平，跛行回家功能激活，電壓調(diào)節(jié)器和 CAN 發(fā)送器關(guān)閉。當(dāng)溫度降至溫度關(guān)機(jī)閾值以下時(shí)，芯片進(jìn)入待機(jī)模式，溫度關(guān)機(jī)閾值在 165 °C 至 200 °C 之間。

五、其他信息

（一）限制值

文檔給出了 UJA1076A 各引腳的電壓、電流、靜電放電電壓等限制值，應(yīng)力超過(guò)這些限制值會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

（二）熱特性

介紹了測(cè)量熱阻 $R_{th(j - a)}$ 的布局條件，以及不同 PCB 類型下的熱阻情況。

（三）靜態(tài)特性

詳細(xì)列出了芯片在不同條件下的靜態(tài)參數(shù)，如電源電壓、電流、電壓變化、閾值電流等。

（四）動(dòng)態(tài)特性

給出了芯片在電壓源、SPI 接口、復(fù)位輸出、看門狗、CAN 收發(fā)器等方面的動(dòng)態(tài)參數(shù)，如檢測(cè)延遲時(shí)間、時(shí)鐘周期時(shí)間、脈沖寬度等。

（五）測(cè)試信息

該產(chǎn)品已通過(guò)汽車電子委員會(huì)（AEC）標(biāo)準(zhǔn) Q100 的認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用。

（六）封裝外形

UJA1076A 采用 HTSSOP32 封裝，文檔提供了封裝的詳細(xì)尺寸信息。

（七）SMD 封裝焊接

介紹了焊接 IC 到 PCB 的常見方法，包括波峰焊和回流焊的特點(diǎn)、適用范圍以及關(guān)鍵特性，并給出了不同封裝厚度和體積下的回流溫度要求。

（八）修訂歷史

記錄了文檔的修訂情況，包括版本號(hào)、發(fā)布日期、數(shù)據(jù)手冊(cè)狀態(tài)、更改通知和替代版本等信息。

（九）法律信息

包含數(shù)據(jù)手冊(cè)狀態(tài)、定義、免責(zé)聲明、商標(biāo)、聯(lián)系信息等內(nèi)容，提醒用戶注意相關(guān)法律事項(xiàng)。

綜上所述，UJA1076A 是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的高速 CAN 核心系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，在汽車電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體需求，合理配置芯片的各項(xiàng)功能和參數(shù)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在焊接和使用過(guò)程中，也要嚴(yán)格遵循相關(guān)的規(guī)范和要求，確保芯片的正常運(yùn)行。大家在使用 UJA1076A 時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。