深度剖析TCAN33x系列3.3-V CAN收發(fā)器：功能、特性與應(yīng)用全解析

在工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)電子等眾多領(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)備間通信的首選方案。而CAN收發(fā)器作為CAN總線系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)在CAN控制器和物理總線之間進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸。今天，我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（Texas Instruments）推出的TCAN33x系列3.3-V CAN收發(fā)器，看看它有哪些獨(dú)特的功能和特性，以及在實(shí)際應(yīng)用中如何發(fā)揮作用。

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一、產(chǎn)品概述

TCAN33x系列包括TCAN330、TCAN332、TCAN334、TCAN337以及它們的G版本（TCAN330G、TCAN332G、TCAN334G、TCAN337G）。該系列器件兼容ISO 11898高速CAN物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持CAN FD（Flexible Data Rate），能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的通信需求。其中，TCAN330、TCAN332、TCAN334和TCAN337的數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)1 Mbps，而TCAN330G、TCAN332G、TCAN334G和TCAN337G的數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)5 Mbps。

二、產(chǎn)品特性

2.1 電源與兼容性

• 單電源供電：采用3.3-V單電源供電，可直接與3.3-V CAN控制器/微控制器（MCU）接口，同時(shí)也能與總線上的其他5-V CAN收發(fā)器兼容，提高了系統(tǒng)的靈活性和兼容性。
• 寬工作溫度范圍：工作溫度范圍為-40°C至125°C，能夠適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

2.2 數(shù)據(jù)速率與模式

• 高速數(shù)據(jù)傳輸：TCAN33xG系列支持高達(dá)5 Mbps的數(shù)據(jù)速率，滿足高速通信需求；其他型號(hào)支持1 Mbps的數(shù)據(jù)速率，適用于大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用。
• 多種工作模式：提供正常模式、低功耗待機(jī)模式（僅TCAN334）、靜默模式（TCAN330、TCAN337）和關(guān)機(jī)模式（TCAN330、TCAN334），可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的模式，降低功耗。

2.3 保護(hù)特性

• ESD保護(hù)：集成了±12 kV IEC-61000-4-2 ESD接觸放電保護(hù)，無(wú)需額外的ESD保護(hù)組件，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。
• 過(guò)壓和欠壓保護(hù)：具備過(guò)壓和欠壓保護(hù)功能，當(dāng)電源電壓超出正常范圍時(shí)，能夠自動(dòng)保護(hù)器件，防止損壞。
• 熱關(guān)斷保護(hù)：當(dāng)器件的結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)電路，防止器件過(guò)熱損壞。

2.4 封裝與尺寸

• 多種封裝選擇：提供SOIC-8和SOT-23兩種封裝形式，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的封裝，滿足不同的空間限制。

三、功能模塊詳解

3.1 TXD主導(dǎo)超時(shí)（TXD DTO）

在正常模式下，當(dāng)TXD信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間保持主導(dǎo)狀態(tài)（低電平）超過(guò)預(yù)設(shè)的超時(shí)時(shí)間tTXD_DTO時(shí)，TXD DTO電路會(huì)自動(dòng)禁用CAN總線驅(qū)動(dòng)器，釋放總線，允許其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。當(dāng)TXD信號(hào)恢復(fù)為隱性狀態(tài)（高電平）時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器會(huì)重新激活。這一功能有效防止了因硬件或軟件故障導(dǎo)致的總線阻塞問(wèn)題。

3.2 RXD主導(dǎo)超時(shí)（RXD DTO）

所有器件都具備RXD DTO電路，當(dāng)總線長(zhǎng)時(shí)間保持主導(dǎo)狀態(tài)超過(guò)預(yù)設(shè)的超時(shí)時(shí)間tRXD_DTO時(shí)，RXD輸出會(huì)自動(dòng)恢復(fù)為隱性狀態(tài)（高電平），避免了因總線故障導(dǎo)致的RXD輸出一直為低電平的問(wèn)題。當(dāng)總線恢復(fù)為隱性狀態(tài)時(shí)，RXD輸出會(huì)重新恢復(fù)正常。

3.3 熱關(guān)斷保護(hù)

當(dāng)器件的結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)關(guān)閉CAN驅(qū)動(dòng)電路，阻止TXD信號(hào)傳輸?shù)娇偩€。當(dāng)結(jié)溫下降到熱關(guān)斷溫度以下時(shí)，關(guān)閉狀態(tài)會(huì)自動(dòng)清除。為避免驅(qū)動(dòng)輸出振蕩，熱關(guān)斷電路還具備遲滯功能。

3.4 欠壓鎖定和無(wú)電源保護(hù)

VCC電源端子具備欠壓檢測(cè)功能，當(dāng)電源電壓低于UVLO閾值時(shí)，器件會(huì)進(jìn)入保護(hù)模式，將總線置于高阻抗偏置接地狀態(tài)，RXD端子置于三態(tài)（高阻抗）狀態(tài)，防止在欠壓事件中對(duì)總線造成干擾。此外，當(dāng)器件無(wú)電源時(shí)，總線端子（CANH、CANL）和邏輯引腳的泄漏電流很低，不會(huì)對(duì)總線和其他電路造成負(fù)載。

3.5 故障輸出引腳（僅TCAN337）

當(dāng)出現(xiàn)TXD主導(dǎo)超時(shí)、RXD主導(dǎo)超時(shí)、熱關(guān)斷或欠壓鎖定等故障時(shí)，F(xiàn)AULT引腳（開(kāi)漏輸出）會(huì)變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^(guò)外部上拉電阻將引腳電壓拉高，向系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào)。

3.6 引腳偏置

器件在關(guān)鍵端子上具備內(nèi)部上拉和下拉電阻，確保在引腳浮空時(shí)器件處于已知狀態(tài)。例如，TXD引腳內(nèi)部弱上拉，可防止總線阻塞或TXD DTO觸發(fā)；STB、S和SHDN引腳內(nèi)部弱下拉，使器件傾向于正常模式。但在設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是在嘈雜環(huán)境中，不應(yīng)僅依賴內(nèi)部偏置，還需采取額外的措施。

3.7 CAN總線短路電流限制

器件具備多種保護(hù)功能，可限制CAN總線短路時(shí)的電流，包括CAN驅(qū)動(dòng)器電流限制（主導(dǎo)和隱性狀態(tài)）。TXD主導(dǎo)超時(shí)功能可防止在系統(tǒng)故障時(shí)，主導(dǎo)狀態(tài)下的高短路電流持續(xù)存在。在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的功率額定值和選擇其他網(wǎng)絡(luò)組件時(shí)，應(yīng)考慮短路電流和可能的故障情況。

3.8 ESD保護(hù)

TCAN33x系列的總線引腳具備片上ESD保護(hù)，可承受±25-kV人體模型（HBM）和±12-kV IEC61000-4-2接觸放電。IEC-ESD測(cè)試比HBM-ESD測(cè)試更為嚴(yán)格，該系列器件的ESD保護(hù)能力為系統(tǒng)提供了可靠的防護(hù)。

四、工作模式

4.1 正常模式

這是器件的默認(rèn)工作模式，CAN驅(qū)動(dòng)器和接收器均處于全功能狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)雙向CAN通信。驅(qū)動(dòng)器將TXD上的數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為CANH和CANL上的差分輸出，接收器將CANH和CANL上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為RXD上的數(shù)字輸出。

4.2 靜默模式

在靜默模式下，CAN驅(qū)動(dòng)器被禁用，接收器仍正常工作，只能實(shí)現(xiàn)從CAN總線到CAN協(xié)議控制器的單向通信。此模式適用于僅需要接收數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景，可降低功耗。

4.3 待機(jī)模式（帶喚醒功能）

這是器件的低功耗模式，CAN驅(qū)動(dòng)器和主接收器關(guān)閉，無(wú)法進(jìn)行雙向CAN通信。但低功耗接收器和總線監(jiān)視器處于啟用狀態(tài)，可通過(guò)CAN總線發(fā)出RXD喚醒請(qǐng)求。當(dāng)檢測(cè)到滿足特定條件的總線活動(dòng)時(shí)，RXD會(huì)輸出低電平，通知本地CAN協(xié)議微處理器喚醒并將器件恢復(fù)到正常模式。

4.4 關(guān)機(jī)模式

關(guān)機(jī)模式是所有模式中功耗最低的模式，CAN驅(qū)動(dòng)器和接收器均關(guān)閉，無(wú)法進(jìn)行CAN通信，也無(wú)法通過(guò)CAN總線接收遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求。在此模式下，CAN總線引腳被拉至GND。

五、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 總線負(fù)載、長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量

ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了CAN總線的最大數(shù)據(jù)速率、電纜長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。但通過(guò)精心設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，可在一定程度上突破這些限制。TCAN33x系列具備高輸入阻抗和寬共模范圍，能夠支持更多的節(jié)點(diǎn)和更長(zhǎng)的總線長(zhǎng)度。在設(shè)計(jì)CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮信號(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，以確保系統(tǒng)的可靠性。

5.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

5.2.1 CAN終端匹配

為防止信號(hào)反射，ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)要求使用與電纜特性阻抗相等的電阻（通常為120 Ω）對(duì)總線兩端進(jìn)行終端匹配。未終端匹配的分支線應(yīng)盡量短。此外，還可采用分裂終端匹配方式，使用兩個(gè)60 Ω電阻和一個(gè)電容，提高網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性。

5.2.2 電源去耦

為確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下的可靠運(yùn)行，每個(gè)電源引腳應(yīng)使用一個(gè)100 nF陶瓷電容進(jìn)行去耦，且電容應(yīng)盡可能靠近VCC電源引腳。

5.2.3 PCB布局

在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用高頻布局技術(shù)，以應(yīng)對(duì)ESD和EFT瞬變的寬頻帶寬。具體建議包括：在CANH和CANL上使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）和電容進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)；將終端匹配電阻和電容靠近總線放置；將去耦電容靠近收發(fā)器的電源引腳；使用至少兩個(gè)過(guò)孔連接VCC和地，以減小走線和過(guò)孔的電感；在數(shù)字輸入和輸出線上使用串聯(lián)電阻限制電流；在數(shù)字I/O線上使用電容濾波噪聲；對(duì)于TCAN337的FAULT輸出引腳，需要使用外部上拉電阻；如果使用開(kāi)漏主機(jī)處理器驅(qū)動(dòng)TXD引腳，需要使用外部上拉電阻。

六、總結(jié)

TCAN33x系列3.3-V CAN收發(fā)器憑借其豐富的功能、出色的保護(hù)特性和靈活的工作模式，為CAN總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。無(wú)論是工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)電子還是其他領(lǐng)域的應(yīng)用，TCAN33x都能滿足不同的需求，并幫助工程師設(shè)計(jì)出更加高效、可靠的系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求，合理選擇器件的工作模式和配置參數(shù)，并遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。希望通過(guò)本文的介紹，能讓大家對(duì)TCAN33x系列CAN收發(fā)器有更深入的了解，為今后的設(shè)計(jì)工作提供有益的參考。