TCA39306雙向I2C總線和SMBus電壓電平轉(zhuǎn)換器技術(shù)解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電壓電平轉(zhuǎn)換是一個常見且關(guān)鍵的問題，特別是在涉及不同電壓標準的總線通信時。TCA39306作為一款雙路雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器，為I2C、SMBus和I3C等總線通信提供了有效的電壓轉(zhuǎn)換解決方案。本文將深入探討TCA39306的特性、應(yīng)用、詳細說明以及相關(guān)設(shè)計要點。

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一、TCA39306特性與應(yīng)用

特性亮點

TCA39306具有諸多出色特性。它采用使能（EN）輸入，與I2C、SMBus和I3C兼容，能在0.9V至3.3V VREF1和1.8V至5.5V VREF2的范圍內(nèi)工作。無需方向引腳即可在0.85V到5V之間實現(xiàn)雙向電壓轉(zhuǎn)換，開關(guān)具有低導通狀態(tài)電阻（RON），能在最短傳播延遲情況下建立連接。當EN為高電平時，轉(zhuǎn)換器開關(guān)打開，實現(xiàn)端口間雙向數(shù)據(jù)流；當EN為低電平時，開關(guān)關(guān)閉，端口間呈高阻態(tài)。此外，它還具備ESD保護性能超過JESD 22規(guī)范要求等優(yōu)點。

廣泛應(yīng)用

該器件適用于多種應(yīng)用場景，如混合模式I2C應(yīng)用中SDA和SCL線路的2位雙向轉(zhuǎn)換，支持標準模式、快速模式和快速模式增強版I2C與SMBus，也與I3C兼容（支持12.5MHz）?？捎糜贗2C、SMBus、PMBus、MDIO、UART、低速SDIO、GPIO和其他雙信號接口，在服務(wù)器、路由器、個人計算機、工業(yè)自動化等領(lǐng)域都有應(yīng)用。

二、規(guī)格參數(shù)分析

絕對最大額定值與ESD等級

在使用TCA39306時，需關(guān)注其絕對最大額定值。如VREF1和VREF2的直流基準電壓范圍為 -0.5V至7V，輸入和輸出電壓范圍也為 -0.5V至7V等。超出這些額定值運行可能會對器件造成永久損壞。其ESD等級方面，人體放電模型（HBM）為±2000V，充電器件模型（CDM）為 +1000V，這表明它在靜電防護方面有較好的表現(xiàn)。

建議運行條件

建議運行條件規(guī)定了器件正常工作的參數(shù)范圍。例如，輸入/輸出電壓VIo在SCL1、SDA1、SCL2、SDA2引腳處為0至5.5V，VREF1和VREF2的基準電壓范圍為0至5.5V，EN開關(guān)的使能電壓為1.5至5.5V等。遵循這些條件能確保器件穩(wěn)定可靠運行。

熱性能與電氣特性

熱性能信息展示了不同封裝下的熱阻等參數(shù)，如結(jié)至環(huán)境熱阻RIJA在不同封裝（DCU、DDF、DTM）下分別為275.5、273.0、289.5 °C/W。電氣特性方面，包括輸入鉗位電壓、輸入漏電流、閾值電壓、導通狀態(tài)電阻等參數(shù)，這些參數(shù)在不同測試條件下有相應(yīng)的取值范圍，對電路設(shè)計和性能評估至關(guān)重要。

三、詳細說明與功能模式

器件概述

TCA39306在實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的同時，還可用于總線隔離。在I2C應(yīng)用中，需考慮總線電容限值，器件兩側(cè)容性負載總和應(yīng)低于規(guī)定值。其SDA和SCL通道電氣特性相同，輸出間電壓偏差和傳播延遲偏差小，優(yōu)于分立式晶體管電壓轉(zhuǎn)換解決方案。

閾值電壓與器件設(shè)置

文檔中涉及的閾值電壓Vth約為0.6V，在器件設(shè)置時，正確連接使能引腳和VREF2并通過上拉電阻建立基準電壓很關(guān)鍵。若連接不當，可能導致電流過大損壞器件。例如，VREF2直接連接到VCC2電源軌且VCC2大于VCC1加Vth時，NFET導通會傳導大電流。

多種應(yīng)用場景

TCA39306可用于斷開響應(yīng)者與主總線連接，支持遠程板插入到背板，還能在VREF1等于VREF2時作為開關(guān)器件使用。在不同應(yīng)用中，其傳播延遲特性有所不同，工程師需根據(jù)實際情況進行選擇和設(shè)計。

器件功能模式

器件有轉(zhuǎn)換器功能和斷開兩種模式。在轉(zhuǎn)換器功能模式下，邏輯低電平可從一側(cè)傳播到另一側(cè)，邏輯高電平被阻斷，由獨立上拉電阻器將線路驅(qū)動為高電平。

四、應(yīng)用和實施要點

通用I2C應(yīng)用

在通用I2C應(yīng)用中，需使用上拉電阻器提供邏輯高電平，中繼器兩側(cè)都要有上拉電阻。TCA39306可在標準開漏I2C總線上實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，通過合理設(shè)置上拉電阻大小和連接方式，能實現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換。

典型應(yīng)用設(shè)計

典型應(yīng)用設(shè)計有開關(guān)始終啟用和開關(guān)使能控制兩種電路。設(shè)計時需滿足一定要求，如VREF2基準電壓為VREF1 +0.6至5V，EN使能輸入電壓為VREF1+0.6至5V等。詳細設(shè)計過程包括雙向電壓轉(zhuǎn)換、確定上拉電阻大小和帶寬計算等方面。

I3C使用注意事項

TCA39306雖有帶寬支持I3C高速，但在I3C應(yīng)用中需考慮特殊因素。I3C總線開關(guān)和電壓轉(zhuǎn)換對基于FET的轉(zhuǎn)換器帶來挑戰(zhàn)，需合理設(shè)置使能電壓、上拉電阻等參數(shù)，以確保正常工作。

電源與布局建議

電源方面，VREF1可直接連接電源，VREF2需通過200kΩ電阻器連接至VDPU電源，且EN和VREF2引腳需短接并通過高阻抗電阻上拉至VDPU。布局時，應(yīng)遵循常見PCB布局實踐，避免信號布線呈直角，將100pF濾波電容靠近VREF2放置，根據(jù)電路板密度選擇合適的層數(shù)和布線方式。

五、總結(jié)與思考

TCA39306為電子工程師在電壓電平轉(zhuǎn)換和總線通信方面提供了強大的工具。在實際設(shè)計中，工程師需深入理解其特性、規(guī)格參數(shù)和應(yīng)用要點，根據(jù)具體需求進行合理設(shè)計和布局。同時，要關(guān)注ESD防護、電源連接和上拉電阻設(shè)置等細節(jié)，以確保器件穩(wěn)定可靠運行。大家在使用TCA39306過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。