TCAL9539R：低電壓轉(zhuǎn)換、16位I2C總線、SMBus I/O擴(kuò)展器深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，I/O擴(kuò)展器是解決GPIO受限問(wèn)題的常用方案。今天，我們就來(lái)深入探討一款功能強(qiáng)大的I/O擴(kuò)展器——TCAL9539R，它具有中斷輸出、復(fù)位和配置寄存器等特性，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

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一、特性亮點(diǎn)

1. 寬電壓范圍與低功耗

TCAL9539R的工作電源電壓范圍為1.08V至3.6V，在1.8mV時(shí)具有1μA（典型值）的低待機(jī)電流消耗。這使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，并且功耗極低，非常適合電池供電的設(shè)備。

2. 高速通信

支持1MHz快速+模式I2C總線，能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，滿足對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

3. 硬件地址引腳

硬件地址引腳允許在同一I2C/SMBus總線上支持兩個(gè)器件，方便系統(tǒng)擴(kuò)展。

4. 豐富的寄存器功能

具有低電平有效復(fù)位輸入（RESET）、開(kāi)漏低電平有效中斷輸出（INT）、輸入或輸出配置寄存器、極性反轉(zhuǎn)寄存器、可配置I/O驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度寄存器、上拉電阻和下拉電阻配置寄存器等。這些寄存器為工程師提供了靈活的配置選項(xiàng)，可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行定制。

5. 高可靠性

閂鎖性能超過(guò)100mA，符合JESD 78 II類規(guī)范的要求；ESD保護(hù)性能超過(guò)JESD 22規(guī)范要求，包括2000V人體放電模型（A114 - A）和1000V充電器件模型（C101），能夠有效保護(hù)器件免受靜電和閂鎖效應(yīng)的影響。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TCAL9539R的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括但不限于以下領(lǐng)域：

1. 服務(wù)器和路由器：在服務(wù)器和電信交換設(shè)備中，用于擴(kuò)展GPIO，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種外設(shè)的控制和監(jiān)測(cè)。
2. 個(gè)人計(jì)算機(jī)和電子產(chǎn)品：如筆記本電腦、平板電腦等，可增加額外的I/O接口，方便連接各種外部設(shè)備。
3. 工業(yè)自動(dòng)化：在工業(yè)控制系統(tǒng)中，用于連接傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制。
4. 游戲機(jī)：為游戲機(jī)提供更多的I/O接口，增強(qiáng)游戲的交互性。
5. 采用GPIO受限處理器的產(chǎn)品：對(duì)于一些GPIO資源有限的處理器，TCAL9539R可以作為擴(kuò)展方案，滿足系統(tǒng)對(duì)I/O的需求。

三、詳細(xì)規(guī)格

1. 絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保器件的安全使用至關(guān)重要。TCAL9539R的電源電壓、輸入電壓、輸出電壓等參數(shù)都有明確的最大和最小值限制，超出這些范圍可能會(huì)對(duì)器件造成永久損壞。例如，電源電壓（Vcc）的范圍為 - 0.5V至4V，輸入鉗位電流（lK）在V < 0時(shí)最大值為 - 20mA等。

2. ESD等級(jí)

該器件的ESD等級(jí)較高，人體放電模型（HBM）為 + 4000V，充電器件模型（CDM）為 ± 1000V，這意味著它在實(shí)際應(yīng)用中能夠更好地抵抗靜電干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

3. 建議運(yùn)行條件

為了保證器件的正常運(yùn)行，建議在特定的條件下使用。例如，電源電壓（VCC）建議在1.08V至3.6V之間，高電平輸入電壓（VIH）為所有引腳的0.7 * VCC至3.6V等。

4. 熱性能信息

熱性能信息對(duì)于評(píng)估器件在不同工作環(huán)境下的散熱情況非常重要。文檔中給出了結(jié)至環(huán)境熱阻（RIJA）、結(jié)至外殼（頂部）熱阻（Re JC(top)）等參數(shù)，工程師可以根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

5. 電氣特性

詳細(xì)的電氣特性參數(shù)包括輸入二極管鉗位電壓（VIK）、上電復(fù)位電壓（VPORR、VPORF）、P端口高電平輸出電壓（VOH）、低電平輸出電壓（VOL）等。這些參數(shù)為電路設(shè)計(jì)提供了精確的參考，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行電路優(yōu)化。

6. 時(shí)序要求

時(shí)序要求規(guī)定了器件在不同操作下的時(shí)間參數(shù)，如復(fù)位脈沖持續(xù)時(shí)間（tw）、復(fù)位恢復(fù)時(shí)間（tREC）、復(fù)位時(shí)間（tRESET）等。遵循這些時(shí)序要求能夠確保器件的正常工作，避免出現(xiàn)時(shí)序沖突等問(wèn)題。

7. I2C總線時(shí)序要求

對(duì)于I2C總線通信，文檔中給出了不同模式（標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式、快速 + 模式）下的時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘高電平時(shí)間、時(shí)鐘低電平時(shí)間等時(shí)序參數(shù)。工程師在設(shè)計(jì)I2C總線電路時(shí)，需要嚴(yán)格按照這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

8. 開(kāi)關(guān)特性

開(kāi)關(guān)特性描述了器件在輸入輸出轉(zhuǎn)換過(guò)程中的時(shí)間參數(shù)，如中斷有效時(shí)間（tiv）、中斷復(fù)位延遲時(shí)間（tr）、輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)間（tpv）等。了解這些特性有助于優(yōu)化電路的響應(yīng)速度和性能。

四、引腳配置和功能

TCAL9539R采用TSSOP（24）封裝，各個(gè)引腳都有明確的功能定義。例如，A0和A1為地址輸入引腳，用于設(shè)置器件的I2C地址；GND為接地引腳；INT為中斷輸出引腳，通過(guò)一個(gè)上拉電阻器連接到Vcc；RESET為低電平有效復(fù)位輸入引腳等。每個(gè)P端口（P00 - P17）都可以配置為輸入或輸出，上電時(shí)默認(rèn)配置為輸入。

五、詳細(xì)說(shuō)明

1. 概述

TCAL9539R的數(shù)字內(nèi)核由8位數(shù)據(jù)寄存器組成，允許用戶配置I/O端口特性。上電或復(fù)位后，I/O被配置為輸入，但系統(tǒng)控制器可以通過(guò)寫(xiě)入配置寄存器將其配置為輸入或輸出。此外，該器件還具有敏捷I/O功能，包括可編程輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度、可編程上拉和下拉電阻器、可鎖存輸入、可屏蔽中斷等，能夠有效改善I/O性能。

2. 功能方框圖

功能方框圖直觀地展示了器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，有助于工程師理解器件的整體架構(gòu)。

3. 特性說(shuō)明

I/O端口

當(dāng)I/O配置為輸入時(shí)，F(xiàn)ET Q1和Q2處于關(guān)閉狀態(tài)，創(chuàng)建一個(gè)高阻抗輸入；當(dāng)配置為輸出時(shí)，Q1或Q2啟用，I/O引腳和電源或GND之間存在低阻抗路徑。

可調(diào)輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度

輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度寄存器支持用戶控制GPIO的驅(qū)動(dòng)電平，每個(gè)GPIO可以獨(dú)立配置為四個(gè)可能的電流電平之一。通過(guò)降低電流驅(qū)動(dòng)能力，可以降低系統(tǒng)噪聲，緩解同步開(kāi)關(guān)噪聲（SSN）問(wèn)題。

中斷輸出（INT）

在輸入模式中，端口輸入的任何上升沿或下降沿都會(huì)生成中斷。INT信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間$t_{iv}$后有效，當(dāng)端口上的數(shù)據(jù)改回原始設(shè)置或從生成中斷的端口讀取數(shù)據(jù)時(shí)，中斷電路復(fù)位。

復(fù)位輸入（RESET）

將RESET引腳保持在低電平至少$t_{w}$，可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)復(fù)位。TCAL9539R寄存器具有粘滯性，在RESET切換時(shí)保持其在I2C狀態(tài)機(jī)初始化時(shí)最后配置的狀態(tài)。

軟件復(fù)位廣播

通過(guò)特定的I2C總線命令序列，可以實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位廣播，將所有寄存器值恢復(fù)為上電默認(rèn)值。

4. 器件功能模式

上電復(fù)位

將電源施加到$V{CC}$時(shí)，內(nèi)部上電復(fù)位會(huì)將器件保持在復(fù)位狀態(tài)，直到電源達(dá)到$V{POR}$，然后釋放復(fù)位條件，將寄存器和I2C/SMBus狀態(tài)機(jī)初始化為默認(rèn)狀態(tài)。

5. 編程

I2C接口

雙向I2C總線由串行時(shí)鐘（SCL）線和串行數(shù)據(jù)（SDA）線組成，通過(guò)發(fā)送啟動(dòng)條件、器件地址字節(jié)、命令字節(jié)等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，需要遵循嚴(yán)格的時(shí)序要求和應(yīng)答機(jī)制。

6. 寄存器映射

器件地址

TCAL9539R的地址由A0和A1引腳設(shè)置，目標(biāo)地址的最后一位定義了要執(zhí)行的操作（讀取或?qū)懭耄?/p>

控制寄存器和命令字節(jié)

控制寄存器和命令字節(jié)用于選擇要訪問(wèn)的內(nèi)部寄存器，不同的命令字節(jié)對(duì)應(yīng)不同的寄存器操作。

寄存器說(shuō)明

包括輸入端口寄存器、輸出端口寄存器、極性反轉(zhuǎn)寄存器、配置寄存器、輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度寄存器、輸入鎖存寄存器、上拉/下拉使能寄存器、上拉/下拉選擇寄存器、中斷屏蔽寄存器、中斷狀態(tài)寄存器和輸出端口配置寄存器等。每個(gè)寄存器都有其特定的功能和默認(rèn)值，工程師可以根據(jù)需要進(jìn)行配置。

總線事務(wù)

包括寫(xiě)入和讀取操作，寫(xiě)入時(shí)通過(guò)發(fā)送器件地址和命令字節(jié)，將數(shù)據(jù)傳輸至指定寄存器；讀取時(shí)先發(fā)送器件地址和命令字節(jié)，然后重新啟動(dòng)發(fā)送讀取地址，由器件發(fā)送寄存器中的數(shù)據(jù)。

六、應(yīng)用和實(shí)施

1. 應(yīng)用信息

在實(shí)際應(yīng)用中，TCAL9539R作為目標(biāo)連接到I2C控制器，位于遠(yuǎn)離控制器的遠(yuǎn)程位置，靠近需要監(jiān)視或控制的GPIO。

2. 典型應(yīng)用

以一個(gè)具體的應(yīng)用原理圖為例，展示了如何配置器件的地址、I/O端口等。同時(shí)，給出了設(shè)計(jì)要求和詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括選擇適當(dāng)?shù)纳侠娮杵?、估算總線電容等。

3. 電源相關(guān)建議

上電復(fù)位要求

如果發(fā)生干擾或數(shù)據(jù)損壞，可以使用上電復(fù)位功能將器件復(fù)位為默認(rèn)狀態(tài)。上電復(fù)位要求器件經(jīng)過(guò)下電上電后才能完全復(fù)位，同時(shí)需要注意電源的下降速率、上升速率等參數(shù)。

布局

在PCB布局時(shí)，應(yīng)遵循常見(jiàn)的布局實(shí)踐，避免信號(hào)布線呈直角，使用較粗的布線承載大電流，旁路電容器和去耦電容器應(yīng)盡可能靠近器件。對(duì)于不同的信號(hào)布線密度，可以選擇2層或4層電路板。

七、總結(jié)

TCAL9539R是一款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的I/O擴(kuò)展器，具有豐富的特性和靈活的配置選項(xiàng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求，充分利用其各種功能，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性和性能。同時(shí)，在使用過(guò)程中，需要嚴(yán)格遵循器件的規(guī)格和時(shí)序要求，確保器件的正常工作。大家在使用這款器件的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到什么有趣的問(wèn)題或者獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。