TCA9800電平轉(zhuǎn)換I2C總線緩沖器/中繼器：特性、應(yīng)用與設(shè)計指南

引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，I2C總線和SMBus/PMBus系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。TCA9800作為一款適用于這些系統(tǒng)的雙通道雙向緩沖器，其獨(dú)特的特性和多樣化的應(yīng)用場景，為系統(tǒng)設(shè)計師提供了更多的選擇和靈活性。本文將深入探討TCA9800的特性、應(yīng)用以及設(shè)計過程中的注意事項。

文件下載：tca9800.pdf

一、TCA9800特性剖析

1.1 真正的緩沖與低 $V_{OL}$

TCA9800能夠在不使用靜態(tài)電壓偏移或增量偏移的情況下提供真正的緩沖，這種特性使得其A側(cè)和B側(cè)上的$V{OL}$極低（約為0.2V）。這一優(yōu)勢有助于消除由于固定的$V{IL}$閾值導(dǎo)致的通信問題，為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性提供了保障。大家在實際設(shè)計中，可以思考一下，低$V_{OL}$對于不同通信速率和負(fù)載的系統(tǒng)，具體能帶來多大程度的性能提升呢？

1.2 無電源定序要求

TCA9800沒有電源定序要求或電源依賴性，$V{CCA}$可以大于、小于或等于$V{CCB}$。這一特性給予系統(tǒng)設(shè)計人員極大的靈活性，在不同電源配置的系統(tǒng)中都能方便地使用TCA9800。例如，在一些復(fù)雜的電源管理系統(tǒng)中，這種靈活性可以簡化電源設(shè)計，降低成本。

1.3 集成電流源與超低功耗

TCA980x系列在B側(cè)集成了電流源，無需外部B側(cè)電阻器。該電流源不僅提供了改進(jìn)的上升時間，還實現(xiàn)了超低功耗。對于功耗敏感型應(yīng)用，如便攜式設(shè)備和電池供電系統(tǒng)，這一特性無疑是非常有吸引力的。那么，在實際應(yīng)用中，如何根據(jù)系統(tǒng)的功耗要求，合理選擇TCA980x系列的不同型號呢？

1.4 其他特性

TCA9800還具有與I2C總線和SMBus兼容、高電平有效中繼器使能輸入、A側(cè)斷電高阻抗I2C總線引腳、斷電反射功率保護(hù)I2C總線引腳、支持時鐘拉伸和多主仲裁等特性。這些特性使得TCA9800在各種復(fù)雜的I2C總線系統(tǒng)中都能穩(wěn)定工作。

二、TCA9800應(yīng)用場景

2.1 服務(wù)器和路由器

在服務(wù)器和路由器等設(shè)備中，I2C總線用于連接各種內(nèi)部組件，如傳感器、存儲器等。TCA9800的緩沖和電平轉(zhuǎn)換功能可以提高信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2 工業(yè)設(shè)備

工業(yè)設(shè)備通常對可靠性和穩(wěn)定性有較高的要求。TCA9800的低功耗、無電源定序要求等特性，使其能夠適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜電源條件和惡劣工作環(huán)境。

2.3 功耗敏感型應(yīng)用

如前所述，TCA9800的超低功耗特性使其非常適合用于功耗敏感型應(yīng)用，如可穿戴設(shè)備、智能家居設(shè)備等。在這些應(yīng)用中，延長電池續(xù)航時間是一個重要的設(shè)計目標(biāo)，TCA9800可以幫助實現(xiàn)這一目標(biāo)。

三、器件信息與比較

3.1 器件封裝

TCA9800采用VSSOP (8)封裝，封裝尺寸為3.00mmx3.00mm。不同的封裝形式適用于不同的應(yīng)用場景，在選擇時需要考慮電路板的空間限制和散熱要求等因素。

3.2 器件比較

在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)負(fù)載電容、上升時間等設(shè)計要求選擇合適的器件型號。例如，對于負(fù)載電容較大的系統(tǒng)，可能需要選擇電流源強(qiáng)度較大的器件，以滿足上升時間的要求。那么，如何根據(jù)具體的設(shè)計參數(shù)，準(zhǔn)確地選擇合適的器件型號呢？這就需要我們深入了解器件的特性和設(shè)計要求之間的關(guān)系。

四、設(shè)計要求與詳細(xì)設(shè)計過程

4.1 設(shè)計要求

在使用TCA980x系列進(jìn)行設(shè)計時，需要明確一些關(guān)鍵的設(shè)計要求，如負(fù)載電容（$C{L}$）、上升時間（$t{r}$）、$V{CCA}$、$V{CCB}$和$I^{2}C$時鐘頻率（$f{SCL}$）等。這些參數(shù)的確定對于選擇合適的器件型號和設(shè)計系統(tǒng)至關(guān)重要。例如，在一個具體的應(yīng)用中，已知負(fù)載電容為100pF，上升時間要求≤150ns，$V{CCA}$為1.2V，$V{CCB}$為3.3V，$f{SCL}$為400kHz，我們該如何選擇合適的器件呢？

4.2 詳細(xì)設(shè)計過程

4.2.1 器件選擇

根據(jù)設(shè)計要求，可以使用應(yīng)用曲線來選擇合適的器件型號。以B側(cè)設(shè)計要求為例，由于B-ports有集成電流源，上升時間可以通過公式$t{r}=C{L} frac{left(0.4 × V{C C B}right)}{I{C S}}$計算。通過查看不同$V_{CCB}$電壓下的應(yīng)用曲線，找到能夠滿足上升時間和負(fù)載電容要求的器件型號。在上述例子中，根據(jù)曲線可以判斷TCA9802或TCA9803可能滿足要求，而TCA9802是最低功耗的選擇。

4.2.2 A側(cè)拉電阻選擇

選擇A側(cè)所需的上拉電阻可以參考《I2C總線拉電阻計算》應(yīng)用報告。合理選擇上拉電阻可以提高信號的上升時間和驅(qū)動能力，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

五、特殊考慮與注意事項

5.1 B側(cè)連接要求

TCA980x在B側(cè)有一些特殊的連接要求。例如，F(xiàn)ET/pass-gate基于的翻譯器通常不能用于B側(cè)，因為它們需要兩側(cè)都有上拉電阻，可能會違反$I_{EXT-I}$要求。在與其他緩沖器/翻譯器連接時，也需要確保不違反任何操作條件，避免出現(xiàn)通信故障。那么，在實際設(shè)計中，如何避免這些潛在的問題呢？這就需要我們仔細(xì)分析每個連接點的電氣特性和要求。

5.2 電源供應(yīng)建議

在設(shè)計時，需要確保$V{CCA}$和$V{CCB}$在推薦的電壓范圍內(nèi)，并且沒有電源定序要求。同時，建議在電源上使用去耦電容（0.1μF和1μF），并將它們盡可能靠近$V{CCA}$和$V{CCB}$引腳放置，以減少電源噪聲對器件的影響。

5.3 布局指南

在電路板布局方面，雖然大多數(shù)I2C翻譯器沒有特殊的考慮，但仍然建議使用去耦電容，并將其靠近電源引腳放置。合理的布局可以減少信號干擾和電磁輻射，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

六、總結(jié)

TCA9800作為一款功能強(qiáng)大的電平轉(zhuǎn)換I2C總線緩沖器/中繼器，具有多種優(yōu)秀的特性和廣泛的應(yīng)用場景。在設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，準(zhǔn)確選擇合適的器件型號，同時注意B側(cè)連接要求、電源供應(yīng)和布局等方面的問題。通過合理的設(shè)計和優(yōu)化，可以充分發(fā)揮TCA9800的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。希望本文能夠為電子工程師在使用TCA9800進(jìn)行設(shè)計時提供一些有價值的參考。大家在實際應(yīng)用中如果遇到問題，歡迎在評論區(qū)交流討論。