具有上升時間加速器的 TCA9416 超低電壓 I2C 轉(zhuǎn)換器：特性與應(yīng)用解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電壓轉(zhuǎn)換器件是實(shí)現(xiàn)不同電壓節(jié)點(diǎn)之間數(shù)字開關(guān)兼容性的關(guān)鍵。今天，我們來深入探討德州儀器（TI）的 TCA9416 超低電壓 I2C 轉(zhuǎn)換器，看看它在實(shí)際應(yīng)用中能為我們帶來哪些便利和優(yōu)勢。

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一、器件概述

TCA9416 是一款具有輸出使能 (OE) 輸入以及上升沿和下降沿加速器的 2 位雙向 I2C 和 SMBus 電壓電平轉(zhuǎn)換器。它專為轉(zhuǎn)換邏輯電壓電平而設(shè)計(jì)，能夠在 A 側(cè)和 B 側(cè)均以 1.08V 至 3.6V 的電壓運(yùn)行，可在典型的 1.2V、1.8V、2.5V 和 3.3V 電源軌之間進(jìn)行任何高低邏輯信號電平切換。

二、特性亮點(diǎn)

（一）雙向轉(zhuǎn)換與高阻抗輸出

該器件適用于 I2C 應(yīng)用中的 SDA 和 SCL 線路，在無方向引腳的情況下提供雙向電壓轉(zhuǎn)換。當(dāng) $OE = 0V$ 或 $V_{CC} = 0V$ 時，SCL_A、SDA_A、SCL_B、SDA_B 引腳呈高阻抗輸出狀態(tài)，這一特性在某些特定的電路設(shè)計(jì)中非常實(shí)用，例如在需要隔離某些信號時。

（二）內(nèi)部上拉電阻與電源靈活性

TCA9416 在 SCL_A、SDA_A、SCL_B 和 SDAB 上具有內(nèi)部 10kΩ 上拉電阻器，并且根據(jù)相應(yīng)的 $V{CC}$ 電壓啟用所有 SDA 和 SCL 引腳上的內(nèi)部上拉電阻器。同時，它無需電源定序，$V{CCA}$ 或 $V{CCB}$ 均可優(yōu)先斜升，這大大增加了電源設(shè)計(jì)的靈活性。

（三）高速性能與低功耗

在正常 I2C 和 SMBus 配置下，TCA9416 可以達(dá)到 SCL 頻率為 100kHz（標(biāo)準(zhǔn)模式）、400kHz（快速模式）或 1MHz（快速模式升級版）的標(biāo)準(zhǔn)速度要求。此外，它還具有低至 2.5μA 的 $off$ 電流（當(dāng) VCCA 或 $V_{CCB} = 0V$ 時），有效降低了功耗。

（四）高可靠性

TCA9416 的閂鎖性能超過 100mA，符合 JESD 78 II 類規(guī)范；ESD 保護(hù)性能超過 JESD 22 規(guī)范要求，人體放電模型（A114 - B）可達(dá) 2500V，充電器件模型（C101）可達(dá) 1500V，這使得它在復(fù)雜的電磁環(huán)境中也能穩(wěn)定工作。

三、引腳配置與功能

通過合理配置這些引腳，我們可以實(shí)現(xiàn)不同的功能和應(yīng)用場景。

四、規(guī)格參數(shù)

（一）絕對最大額定值

在推薦的自然通風(fēng)條件下，TCA9416 的電源電壓范圍（VCCA 和 VccB）為 -0.5V 至 4V，輸入和輸出電壓范圍在遵守電流額定值的情況下也有相應(yīng)的規(guī)定，同時還對輸入鉗位電流、輸出鉗位電流、持續(xù)輸出電流等參數(shù)進(jìn)行了限制。這些參數(shù)為我們在設(shè)計(jì)電路時提供了安全邊界，避免因電壓或電流過大而損壞器件。

（二）ESD 等級

該器件的 A 端口、B 端口靜電放電人體放電模型（HBM）可達(dá) +2500V，VCCA、VCcB、OE 的 HBM 為 +2000V，充電器件模型（CDM）為 ±1000V，這表明它具有良好的靜電防護(hù)能力。

（三）建議運(yùn)行條件

建議的電源電壓 VCCA 和 VccB 范圍為 1.08V 至 3.6V，輸入電壓范圍為 0V 至 3.6V，工作溫度范圍為 -40°C 至 125°C。在實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)盡量使器件工作在這些建議條件下，以確保其性能和穩(wěn)定性。

（四）熱性能信息

不同封裝形式的 TCA9416 具有不同的熱性能指標(biāo)，如結(jié)至環(huán)境熱阻、結(jié)至外殼（頂部）熱阻、結(jié)至電路板熱阻等。了解這些熱性能信息有助于我們在設(shè)計(jì)散熱方案時做出合理的選擇。

（五）電氣特性

包括 UVLO 上升和下降閾值、RTA 和 FTA 激活閾值、上拉電阻值、輸入輸出電流等參數(shù)，這些參數(shù)反映了器件的電氣性能，對于電路設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化至關(guān)重要。

（六）時序要求和開關(guān)特性

規(guī)定了從 VRTA 到 RTA 禁用的時間、傳播延遲時間、上升和下降時間等時序參數(shù)，以及不同電源電壓下的開關(guān)特性，這些參數(shù)對于保證信號的準(zhǔn)確傳輸和系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常關(guān)鍵。

五、詳細(xì)說明

（一）架構(gòu)

TCA9416 采用基于自動方向感應(yīng)的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，無需方向控制信號即可支持雙向數(shù)據(jù)流。它通過適當(dāng)偏置導(dǎo)通 FET 的柵極，當(dāng)任一端輸入電壓降至低于兩個電源中最低電壓約 1 電壓閾值時，F(xiàn)ET 可導(dǎo)通（低 RDSON）。同時，它還包含輸出上升時間加速器電路和輸出下降時間加速器電路，用于檢測和加速 A 或 B 端口的上升沿和下降沿，從而提高整體數(shù)據(jù)速率。

（二）啟用和禁用

通過 OE 輸入可以控制器件的啟用和禁用。將 OE 設(shè)為低電平可禁用器件，防止任何信號在器件上傳播，上升和下降時間加速器也會被禁用，但如果電源高于 VUVLO，內(nèi)部上拉電阻器仍將被啟用。禁用時間 $(t{dis})$ 和啟用時間 $(t{en})$ 是需要關(guān)注的重要參數(shù)。

（三）I/O 線路上的上拉電阻器

每個 A 端口 I/O 具有一個針對 $V{CCA}$ 的內(nèi)部 10kΩ 上拉電阻器，每個 B 端口具有一個針對 $V{CCB}$ 的內(nèi)部 10kΩ 上拉電阻器。如果需要更小值的上拉電阻器，可以在 I/O 與 VCCA 或 VCCB 之間添加一個外部電阻器（與內(nèi)部 10kΩ 電阻器并聯(lián)），但要注意增加較低值的上拉電阻會影響 $V_{OL}$ 電平。

六、應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

TCA9416 可用于彌合兩個電壓節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)字開關(guān)兼容性差距，適用于點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，將在不同接口電壓下運(yùn)行的器件或系統(tǒng)相互連接起來，主要目標(biāo)應(yīng)用是連接數(shù)據(jù) I/O 上的開漏驅(qū)動器，如 I2C 或 SMBus。

（二）典型應(yīng)用

在典型應(yīng)用中，我們需要確定輸入電壓范圍和輸出電壓范圍，使用正在驅(qū)動 TCA9416 器件的器件電源電壓來確定輸入電壓范圍，使用 TCA9416 器件正在驅(qū)動的器件電源電壓來確定輸出電壓范圍。同時，TCA9416 器件具有 10kΩ 內(nèi)部上拉電阻器，如果需要的話，可增加外部上拉電阻器來減少信號跡線上的總 RC。

（三）大容性負(fù)載失配的啟動注意事項(xiàng)

由于該轉(zhuǎn)換器采用基于 FET 的架構(gòu)，在上電期間如果兩側(cè)之間的電容差異很大，可能會出現(xiàn)一些問題。例如，當(dāng)一個具有較小電容的電源已經(jīng)上電，而另一個正在斜升（OE 引腳為高電平），負(fù)載較重的一側(cè)可能會比電源斜升得慢，導(dǎo)致器件短暫打開下降時間加速器以傳播低電平。為了消除這種現(xiàn)象，可以將 OE 引腳保持為低電平（禁用）直到所有電源和總線都加速上升，較慢的電源斜升也有助于減少這種情況。

七、電源相關(guān)建議

TCA9416 在 1.08V 至 3.6V 范圍之外沒有電源限制，$VCCA$ 可以高于或低于 $V{CCB}$，內(nèi)部電路將自動選擇合適的電源以正確支持轉(zhuǎn)換。在上電運(yùn)行期間，任一電源都可以首先斜升。為了確保輸出在加電或斷電期間為高阻抗?fàn)顟B(tài)，OE 輸入引腳必須通過一個下拉電阻器接至 GND，并且在 $V{CCA}$ 和 $V_{CCB}$ 完全斜升且穩(wěn)定前一定不能被啟用。

八、布局建議

（一）布局指南

為了確保器件的可靠性，建議在電源上使用旁路電容器，并盡可能靠近 $VCCA$、$V_{CCB}$ 引腳和 $GND$ 引腳放置；使用短跡線以避免過多負(fù)載；保持 SCL 和 SDA 長度接近以防止信號偏斜；PCB 信號布線長度必須保持足夠短，以使任何反射的往返延遲小于單次持續(xù)時間，大約 30ns，并確保任何反射在源驅(qū)動器處都遇到低阻抗。

（二）布局示例

文檔中提供了 TCA9416 的布局示例（DDF），我們可以參考這些示例來進(jìn)行實(shí)際的 PCB 設(shè)計(jì)。

九、器件和文檔支持

TI 提供了豐富的器件和文檔支持，我們可以通過導(dǎo)航至 ti.com 上的器件產(chǎn)品文件夾來接收文檔更新通知。TI E2E? 支持論壇是工程師獲取快速、經(jīng)過驗(yàn)證的解答和設(shè)計(jì)幫助的重要參考資料。同時，我們也要注意靜電放電對器件的影響，在操作時要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。

總之，TCA9416 超低電壓 I2C 轉(zhuǎn)換器以其豐富的特性、良好的性能和廣泛的應(yīng)用場景，為電子工程師在設(shè)計(jì)不同電壓節(jié)點(diǎn)之間的連接電路時提供了一個優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和設(shè)計(jì)要求，合理配置和使用該器件，同時注意其各種參數(shù)和注意事項(xiàng)，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用類似的電壓轉(zhuǎn)換器件時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。