TCAL9539：低電壓轉(zhuǎn)換、16 位 I2C 總線、SMBus I/O 擴(kuò)展器的設(shè)計(jì)指南

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，I/O 擴(kuò)展器是解決微控制器或處理器 I/O 端口不足問題的常用器件。TI 的 TCAL9539 具有中斷輸出、復(fù)位和配置寄存器等功能，能為兩線雙向 I2C 總線（或 SMBus）協(xié)議提供通用并行輸入/輸出擴(kuò)展，本文將深入探討其特性、應(yīng)用、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等內(nèi)容。

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二、TCAL9539 特性剖析

（一）電氣特性

1. 寬電壓范圍與低功耗：工作電源電壓范圍為 1.08V 至 3.6V，在 1.8mV 時具有 1μA（典型值）的低待機(jī)電流消耗，適合多種低功耗應(yīng)用場景，如電池供電設(shè)備，能有效延長設(shè)備續(xù)航時間。
2. 高速總線支持：支持 100kHz（標(biāo)準(zhǔn)模式）、400kHz（快速模式）和 1MHz（快速 + 模式）的 I2C 時鐘頻率，滿足不同數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，可應(yīng)用于對數(shù)據(jù)傳輸速度要求較高的系統(tǒng)中。
3. 豐富的寄存器配置：具有輸入或輸出配置寄存器、極性反轉(zhuǎn)寄存器、可配置 I/O 驅(qū)動強(qiáng)度寄存器、上拉電阻和下拉電阻配置寄存器等，為用戶提供了靈活的 I/O 端口配置選項(xiàng)，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。

（二）保護(hù)特性

1. ESD 保護(hù)：ESD 保護(hù)性能超過 JESD 22 規(guī)范要求，其中人體放電模型（A114 - A）可達(dá) 2000V，充電器件模型（C101）可達(dá) 1000V，能有效防止靜電對器件造成損壞，提高了器件的可靠性和穩(wěn)定性。
2. 閂鎖性能：閂鎖性能超過 100mA，符合 JESD 78 II 類規(guī)范的要求，增強(qiáng)了器件在復(fù)雜電氣環(huán)境下的抗干擾能力。

三、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

（一）常見應(yīng)用場景

TCAL9539 可應(yīng)用于服務(wù)器、路由器（電信交換設(shè)備）、個人計(jì)算機(jī)、個人電子產(chǎn)品、工業(yè)自動化、游戲機(jī)等領(lǐng)域，以及采用 GPIO 受限處理器的產(chǎn)品中。在這些應(yīng)用中，它能為系統(tǒng)提供額外的 I/O 端口，解決 I/O 資源不足的問題。

（二）典型應(yīng)用示例

以一個典型應(yīng)用為例，將其作為 I2C 控制器（處理器）的響應(yīng)設(shè)備，放置在離 GPIO 較近的遠(yuǎn)程位置，方便對 GPIO 進(jìn)行監(jiān)測或控制。在該示例中，可根據(jù)需要將部分端口配置為輸入，部分端口配置為輸出，同時對于可能浮空的輸入端口，需添加電阻以確保信號穩(wěn)定。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)詳解

（一）電源設(shè)計(jì)

1. 電源電壓范圍：推薦的電源電壓范圍為 1.08V 至 3.6V，在設(shè)計(jì)電源電路時，需確保電源輸出穩(wěn)定在該范圍內(nèi)，避免因電壓波動影響器件正常工作。
2. 電源供電要求：在電源供電過程中，要注意避免電源出現(xiàn)毛刺或數(shù)據(jù)損壞的情況。當(dāng)出現(xiàn)此類問題時，可利用電源上電復(fù)位功能將 TCAL9539 復(fù)位到默認(rèn)狀態(tài)。電源上電復(fù)位有兩種方式，一種是將 $V{CC}$ 降低到 0.2V 或 0V 以下，然后再升高；另一種是將 $V{CC}$ 降低到 POR 閾值以下，然后再升高。同時，要關(guān)注電源的下降速率、上升速率、重新上升時間等參數(shù)，以及電源毛刺的寬度和高度對器件的影響。

（二）I2C 總線設(shè)計(jì)

1. 上拉電阻選擇：SCL 和 SDA 線的上拉電阻 $R{P}$ 需要根據(jù) $I^{2}C$ 總線上所有響應(yīng)設(shè)備的總電容進(jìn)行適當(dāng)選擇。最小上拉電阻是 $V{CC}$、$V{OL,(max)}$ 和 $I{OL}$ 的函數(shù)，計(jì)算公式為 $R{p(min)}=frac{V{CC}-V{OL(max)}}{I{OL}}$；最大上拉電阻是最大上升時間 $t{r}$ 和總線電容 $C$ 的函數(shù)，計(jì)算公式為 $R{p(max)}=frac{t{r}}{0.8473 × C_}$。對于標(biāo)準(zhǔn)模式或快速模式操作，$I^{2}C$ 總線的最大電容不得超過 400pF；對于快速模式 + 操作，不得超過 550pF。
2. 總線時序要求：不同的 I2C 模式（標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式、快速 + 模式）對時鐘頻率、時鐘高時間、時鐘低時間、數(shù)據(jù)建立時間、數(shù)據(jù)保持時間等時序參數(shù)有不同的要求，在設(shè)計(jì)時需嚴(yán)格按照這些要求進(jìn)行電路布局和信號處理，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

（三）布局設(shè)計(jì)

1. PCB 布局原則：在進(jìn)行 PCB 布局時，應(yīng)遵循常見的 PCB 布局原則，如避免信號線出現(xiàn)直角、將信號線從集成電路附近引出時相互分散、增加電源線和地線的寬度以承載更大電流等。同時，為了控制電源引腳的電壓，應(yīng)在靠近 TCAL9539 的位置放置旁路和去耦電容，大電容用于在電源出現(xiàn)短暫毛刺時提供額外的功率，小電容用于過濾高頻紋波。
2. 層數(shù)選擇：對于信號布線密度較低的設(shè)計(jì)，可采用兩層 PCB 進(jìn)行設(shè)計(jì)，頂層用于信號布線，底層作為電源和地的分割平面；對于信號布線密度較高的設(shè)計(jì)，建議采用四層 PCB，將信號布線放在頂層和底層，一個內(nèi)層作為接地平面，另一個內(nèi)層作為電源平面。

五、總結(jié)與思考

TCAL9539 作為一款功能強(qiáng)大的 I/O 擴(kuò)展器，具有寬電壓范圍、低功耗、高速總線支持、豐富的寄存器配置和良好的保護(hù)特性等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮電源設(shè)計(jì)、I2C 總線設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)等要點(diǎn)，以確保器件的性能和穩(wěn)定性。

作為電子工程師，在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體的項(xiàng)目需求，對 TCAL9539 進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整。例如，在低功耗應(yīng)用中，如何通過合理配置寄存器來降低功耗；在高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，如何優(yōu)化 PCB 布局以減少信號干擾等。這些都是我們在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要深入思考和解決的問題。希望本文能為大家在使用 TCAL9539 進(jìn)行設(shè)計(jì)時提供一些有益的參考。