支持復(fù)位的 TCA9548A-Q1 汽車 8 通道 I2C 開關(guān)：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，I2C 總線的應(yīng)用極為廣泛，而當(dāng)面臨多設(shè)備通信和地址沖突等問(wèn)題時(shí)，一款優(yōu)秀的 I2C 開關(guān)就顯得尤為重要。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下 TI 公司的 TCA9548A-Q1 汽車 8 通道 I2C 開關(guān)，看看它在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中能為我們帶來(lái)哪些便利。

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一、TCA9548A-Q1 特性亮點(diǎn)

1. 符合汽車應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

TCA9548A-Q1 通過(guò)了 AEC-Q100（等級(jí) 1）認(rèn)證，完全符合汽車應(yīng)用的嚴(yán)苛要求，并且還提供功能安全相關(guān)文檔，能有效幫助進(jìn)行功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這對(duì)于汽車電子這種對(duì)可靠性和安全性要求極高的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一顆“定心丸”。

2. 強(qiáng)大的通道控制能力

該器件配備了八個(gè)可通過(guò) I2C 總線控制的雙向轉(zhuǎn)換開關(guān)，將 SCL/SDA 上行對(duì)擴(kuò)展到八個(gè)下行對(duì)（通道）。通過(guò)可編程控制寄存器，我們可以靈活選擇任一單獨(dú)的 SCn/SDn 通道或者通道組合。這一特性在解決 I2C 目標(biāo)地址沖突方面表現(xiàn)出色。例如，在需要使用八個(gè)完全相同的數(shù)字溫度傳感器的應(yīng)用中，每個(gè)通道可以連接一個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸和控制。

3. 多種兼容性與適用性

它與 I2C 總線和 SMBus 兼容，支持在 1.8V、2.5V、3.3V 和 5V 總線間進(jìn)行電壓電平轉(zhuǎn)換。低電平有效復(fù)位輸入和三個(gè)地址引腳的設(shè)計(jì)，讓 I2C 總線最多可支持八個(gè) TCA9548A-Q1 器件，大大增加了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。同時(shí)，其低 $R_{ON}$ 開關(guān)、低靜態(tài)電流、加電時(shí)無(wú)干擾、支持熱插入等特性，也使得它在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中都能穩(wěn)定可靠地工作。

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

1. 汽車電子領(lǐng)域

在信息娛樂(lè)系統(tǒng)和車身控制方面，TCA9548A-Q1 可以有效管理多個(gè) I2C 設(shè)備的通信，解決地址沖突問(wèn)題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2. 工業(yè)與通信領(lǐng)域

在路由器（電信交換設(shè)備）和工廠自動(dòng)化等場(chǎng)景中，它同樣能發(fā)揮重要作用。對(duì)于那些具有 I2C 目標(biāo)地址沖突的產(chǎn)品，如多個(gè)完全一樣的溫度傳感器的應(yīng)用，TCA9548A-Q1 可以輕松實(shí)現(xiàn)通道的選擇和數(shù)據(jù)的傳輸。

三、技術(shù)參數(shù)解析

1. 絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。TCA9548A-Q1 的電源電壓范圍為 -0.5V 至 7V，輸入電壓范圍同樣為 -0.5V 至 7V，輸入電流范圍為 -20mA 至 20mA，輸出電流最大為 -25mA 等。需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，操作超出這些絕對(duì)最大額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

2. ESD 評(píng)級(jí)

該器件的人體模型（HBM）ESD 分類等級(jí)為 2，靜電放電電壓為 ±2000V；充電設(shè)備模型（CDM）ESD 分類等級(jí)為 C6，靜電放電電壓為 ±1000V。這表明它具有一定的靜電防護(hù)能力，但在實(shí)際操作中，我們?nèi)匀恍枰扇∵m當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)措施，以避免器件受到靜電損壞。

3. 推薦工作條件

推薦的電源電壓范圍為 1.65V 至 5.25V，不同的電源電壓對(duì)應(yīng)著不同的工作溫度范圍。例如，當(dāng)電源電壓在 1.65V 至 5.25V 之間時(shí)，工作自由空氣溫度范圍為 -40°C 至 85°C；當(dāng)電源電壓在 1.65V 至 3.6V 之間時(shí)，工作自由空氣溫度范圍可擴(kuò)展至 -40°C 至 125°C。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們應(yīng)確保器件在推薦的工作條件下運(yùn)行，以保證其性能和可靠性。

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 引腳配置與功能

TCA9548A-Q1 采用 24 引腳超薄四方扁平無(wú)引線（VQFN）封裝，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，A0、A1、A2 為地址輸入引腳，可直接連接到 Vcc 或地，用于設(shè)置器件的目標(biāo)地址；RESET 為低電平有效復(fù)位輸入引腳，可通過(guò)上拉電阻連接到 Vcc 或 VDuM 1，用于在出現(xiàn)故障時(shí)復(fù)位器件；SCL 和 SDA 為串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)總線引腳，用于與 I2C 控制器進(jìn)行通信等。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要根據(jù)實(shí)際需求正確連接這些引腳。

2. I2C 接口與編程

接口特性

TCA9548A-Q1 具有標(biāo)準(zhǔn)的雙向 I2C 接口，通過(guò)控制器設(shè)備進(jìn)行配置和狀態(tài)讀取。I2C 接口由串行時(shí)鐘（SCL）和串行數(shù)據(jù)（SDA）線組成，這兩條線都需要通過(guò)上拉電阻連接到 Vcc。數(shù)據(jù)傳輸只能在總線空閑時(shí)啟動(dòng)，當(dāng) SDA 和 SCL 線在 STOP 條件后都為高電平時(shí)，總線被認(rèn)為是空閑的。

編程步驟

• 設(shè)備尋址：每個(gè)目標(biāo)設(shè)備都有一個(gè)特定的設(shè)備地址，通過(guò) A0、A1、A2 引腳可以硬件選擇 TCA9548A-Q1 的目標(biāo)地址。目標(biāo)地址的最后一位定義了操作類型（讀或?qū)懀?，高電平為讀，低電平為寫。
• 總線事務(wù)
  • 寫操作：控制器發(fā)送 START 條件，指定目標(biāo)地址并將 R/W 位設(shè)置為 0，目標(biāo)設(shè)備確認(rèn)后，控制器開始發(fā)送控制寄存器數(shù)據(jù)，最后發(fā)送 STOP 條件結(jié)束傳輸。
  • 讀操作：控制器發(fā)送 START 條件，指定目標(biāo)地址并將 R/W 位設(shè)置為 1，目標(biāo)設(shè)備確認(rèn)后，控制器釋放 SDA 總線，繼續(xù)提供時(shí)鐘信號(hào)，接收目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到所需的字節(jié)數(shù)后，控制器發(fā)送 NACK 信號(hào)，然后發(fā)送 STOP 條件結(jié)束傳輸。

    控制寄存器

    控制寄存器是 TCA9548A-Q1 的核心，通過(guò)向控制寄存器寫入命令字節(jié)，可以選擇相應(yīng)的 SCn/SDn 通道。命令字節(jié)的每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)通道，高電平表示選中該通道。多個(gè)通道可以同時(shí)被選中，通道選擇在 I2C 總線上出現(xiàn) STOP 條件后生效。

3. 應(yīng)用設(shè)計(jì)要求

在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要考慮多個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求。

• 電源電壓：要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇電源電壓 $V{CC}$，當(dāng)需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，要確保 $V{pass}$ 電壓等于或低于最低總線電壓，以實(shí)現(xiàn)有效的電壓鉗位。
• 上拉電阻：需要根據(jù) $VDPUX$、$V{OL,(max)}$、$I{OL}$ 等參數(shù)選擇合適的上拉電阻，以滿足總線的性能要求。
• 總線電容：I2C 總線的最大電容不得超過(guò) 400pF，在計(jì)算總線電容時(shí)，需要考慮 TCA9548A-Q1 的電容、線路和連接的電容以及每個(gè)目標(biāo)設(shè)備的電容。

五、布局與電源建議

1. PCB 布局

在進(jìn)行 PCB 布局時(shí)，要遵循常見(jiàn)的 PCB 布局原則。為了減少 I2C 總線的寄生電容，數(shù)據(jù)線路（SCn 和 SDn）應(yīng)盡量短，并且要盡量減小走線的寬度。同時(shí)，要使用專用的接地平面，并確保接地引腳有低阻抗的接地路徑。此外，還可以使用旁路和去耦電容來(lái)控制 VCC 引腳的電壓。

2. 電源推薦

TCA9548A-Q1 的工作電源電壓范圍為 1.65V 至 5.25V，在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)，要注意遵循上電復(fù)位要求，確保 I2C 總線邏輯正確初始化。同時(shí)，要注意電源中的毛刺可能會(huì)影響上電復(fù)位性能，需要合理設(shè)置旁路電容等參數(shù)來(lái)減少毛刺的影響。

六、總結(jié)與思考

TCA9548A-Q1 汽車 8 通道 I2C 開關(guān)以其豐富的功能、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和良好的兼容性，為電子工程師在解決 I2C 通信問(wèn)題時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們還需要綜合考慮各種因素，如器件的參數(shù)特性、應(yīng)用場(chǎng)景的要求、布局和電源的設(shè)計(jì)等，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

作為電子工程師，我們?cè)谑褂?TCA9548A-Q1 時(shí)，不妨思考以下問(wèn)題：如何根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇最合適的通道組合和地址配置？在進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，如何優(yōu)化上拉電阻的選擇以提高系統(tǒng)性能？如何通過(guò)合理的布局和電源設(shè)計(jì)來(lái)減少干擾和提高系統(tǒng)的抗干擾能力？通過(guò)不斷地思考和實(shí)踐，我們才能更好地發(fā)揮 TCA9548A-Q1 的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的電子系統(tǒng)。