TCA39306-Q1 雙路雙向 I3C、I2C 總線和 SMBus 電壓電平轉(zhuǎn)換器：特性、應用與設計要點

在電子工程師的日常工作中，總線和接口的電壓電平轉(zhuǎn)換是一個常見且關(guān)鍵的問題。TCA39306-Q1 作為一款針對汽車應用的雙路雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器，具有諸多獨特的特性和廣泛的應用場景。今天，我們就來深入探討這款器件的相關(guān)內(nèi)容。

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一、特性與應用

特性概述

TCA39306-Q1 符合面向汽車應用的 AEC-Q100 標準，具備功能安全型設計，可提供用于功能安全系統(tǒng)設計的文檔。它與 I3C、I2C、SMBus、PMBus、MDIO、UART、低速 SDIO、GPIO 和其他雙信號接口兼容，能實現(xiàn)標準模式、快速模式和快速模式增強版 I2C 與 SMBus 的通信。該器件還支持在多種電壓之間進行轉(zhuǎn)換，如 0.9V VREF1 和 1.8V、2.5V、3.3V 或 5V VREF2 等，并且在無方向引腳的情況下提供雙向電壓轉(zhuǎn)換，開關(guān)具有低導通狀態(tài)電阻，能以最短傳播延遲建立連接。

應用場景

其應用范圍十分廣泛，涵蓋了服務器、路由器（電信交換設備）、個人計算機、工業(yè)自動化等領域。在混合模式 I2C 應用中，它可作為適用于 SDA 和 SCL 線路的 2 位雙向轉(zhuǎn)換器。

二、規(guī)格參數(shù)

絕對最大額定值與 ESD 等級

TCA39306-Q1 的絕對最大額定值包括 VREF1、VREF2、輸入電壓范圍等參數(shù)，超出這些額定值運行可能會對器件造成損壞。其 ESD 等級方面，人體放電模型（HBM）為 ±2000V，充電器件模型（CDM）為 ±1000V。

建議運行條件

建議運行條件規(guī)定了輸入/輸出電壓、基準電壓、使能輸入電壓、導通開關(guān)電流和環(huán)境溫度等參數(shù)的范圍。例如，輸入/輸出電壓范圍為 0 - 5.5V，環(huán)境溫度范圍為 -40 - 125°C。

熱性能與電氣特性

熱性能信息給出了結(jié)至環(huán)境熱阻、結(jié)至外殼熱阻等參數(shù)。電氣特性則包括輸入鉗位電壓、輸入漏電流、閾值電壓等多項指標，這些參數(shù)在不同的測試條件下有相應的最小值、典型值和最大值。

開關(guān)特性

開關(guān)特性分為下行轉(zhuǎn)換和上行轉(zhuǎn)換，以及綜合的開關(guān)特性。不同的測試條件下，如不同的電壓、負載電容等，低電平到高電平傳播延遲和高電平到低電平傳播延遲會有所不同。這些特性對于評估器件在不同應用場景下的性能至關(guān)重要。

三、詳細說明

概述與工作原理

TCA39306-Q1 采用使能（EN）輸入，當 EN 為高電平時，轉(zhuǎn)換器開關(guān)打開，實現(xiàn)端口間的雙向數(shù)據(jù)流；當 EN 為低電平時，開關(guān)關(guān)閉，端口之間存在高阻態(tài)。它還可用于將更高速度的總線與更低速度的總線隔離，通過控制 EN 引腳來斷開較慢總線的連接。

閾值電壓與器件設置

文檔中定義了閾值電壓 Vth，室溫下約為 0.6V。正確的器件設置要求使能引腳和 VREF2 短接在一起并連接至一個 200kΩ 的電阻器，建立等于 VREF1 加上 FET 閾值電壓的基準電壓，以更有效地傳遞低電平信號。

應用場景拓展

• 斷開目標與主總線連接：在 I2C 總線上有不同速度器件的情況下，可通過控制 TCA39306-Q1 來避免不同速度器件之間的干擾。
• 支持遠程板插入背板：在將具有 I2C 線路的遠程板連接到主板時，可先禁用該器件，待遠程板通電且總線空閑后再啟用，防止數(shù)據(jù)損壞和總線卡滯。
• 開關(guān)配置：當 VREF1 電壓等于 VREF2 時，器件可從轉(zhuǎn)換器變?yōu)殚_關(guān)器件，傳播延遲會因總線兩側(cè)的上拉電阻、電容和電壓差而有所不同。
• 控制器位置：由于 I2C 和 SMBus 是雙向協(xié)議，控制器可放置在器件的任一側(cè)。
• LDO 供電問題：VREF1 引腳可由低壓降穩(wěn)壓器（LDO）供電，但可能會因偏置電流導致 LDO 失去穩(wěn)壓能力，需要在 VREF1 至接地之間放置弱下拉電阻器。
• VREF2 限流電阻：該電阻用于限制 VREF2 和 VREF1 之間的電流，并有助于在使能引腳上建立基準電壓，電阻值的選擇需要考慮偏置電流和絕對最大連續(xù)通道電流。

四、應用和實施

應用信息與典型應用

在通用 I2C 應用中，需要使用上拉電阻器在轉(zhuǎn)換總線上提供邏輯高電平。典型應用包括開關(guān)始終啟用和開關(guān)使能控制兩種電路，設計要求規(guī)定了 VREF1、VREF2、EN 等參數(shù)的范圍。

詳細設計過程

• 雙向電壓轉(zhuǎn)換：EN 輸入必須連接到 VREF2，且兩個引腳均通過上拉電阻器拉至高側(cè) VDPU，建議連接 100pF 濾波電容器。
• 確定上拉電阻大小：可參考應用手冊 SLVA689 來估算上拉電阻器的取值范圍。
• 帶寬計算：器件的最大頻率取決于應用負載，對于數(shù)字應用，頻率帶寬應至少是最大數(shù)字時鐘速率的五倍。可通過公式計算最大實際頻率分量或拐點頻率。

I3C 使用注意事項

由于 I3C 同時使用推挽和開漏，對于基于 FET 的轉(zhuǎn)換器如 TCA39306-Q1 帶來了挑戰(zhàn)。在 I3C 總線開關(guān)和總線電壓轉(zhuǎn)換應用中，需要滿足特定的條件，如開關(guān)使能電壓、上拉電阻的選擇等。

電源相關(guān)建議與布局

為器件供電時，VREF1 引腳可直接連接至電源，VREF2 引腳必須通過一個 200kΩ 電阻器連接至 VDPU 電源。在 PCB 布局方面，應遵循常見的布局實踐，避免信號布線呈直角，100pF 濾波電容應盡可能靠近 VREF2 放置。

五、器件和文檔支持

文檔更新與支持資源

工程師可以在 ti.com.cn 上的器件產(chǎn)品文件夾中注冊接收文檔更新通知。TI E2E? 中文支持論壇是獲取快速、經(jīng)過驗證的解答和設計幫助的重要資源。

靜電放電警告與術(shù)語表

靜電放電會損壞集成電路，需要采取適當?shù)念A防措施。TI 術(shù)語表列出并解釋了相關(guān)術(shù)語、首字母縮略詞和定義，方便工程師查閱。

六、總結(jié)

TCA39306-Q1 作為一款功能強大的電壓電平轉(zhuǎn)換器，在汽車和其他工業(yè)應用中具有廣泛的應用前景。電子工程師在設計過程中，需要充分了解其特性、規(guī)格參數(shù)和應用要點，合理進行器件設置和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，要關(guān)注文檔更新和技術(shù)支持，不斷提升自己的設計水平。

各位工程師朋友們，在使用 TCA39306-Q1 的過程中，你們遇到過哪些問題或者有什么獨特的應用經(jīng)驗呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。