TCA9534：低電壓8位I2C和SMBUS低功耗I/O擴展器的全面解析

在電子設計的領域中，I/O擴展器是解決微控制器I/O端口不足問題的常用方案。TCA9534作為一款低電壓8位I2C和SMBUS低功耗I/O擴展器，憑借其豐富的特性和廣泛的應用場景，在眾多電子設備中得到了廣泛應用。今天，我們就來深入探討一下TCA9534的各項特性、技術參數(shù)以及應用設計要點。

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一、TCA9534概述

TCA9534是一款16引腳的設備，為兩線雙向I2C總線（或SMBus）協(xié)議提供8位通用并行輸入和輸出（I/O）擴展功能。它的電源電壓范圍為1.65V至5.5V，能夠與各種不同的設備兼容。同時，該設備支持100kHz（標準模式）和400kHz（快速模式）的時鐘頻率，可滿足不同應用場景下的通信需求。

二、主要特性亮點

2.1 強大的ESD保護能力

ESD保護超過JESD 22標準，其中人體模型（A114 - A）可達2000V，帶電設備模型（C101）可達1000V。這使得TCA9534在復雜的電磁環(huán)境中能夠有效抵御靜電干擾，保證設備的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 低功耗設計

具有低待機電流消耗的特點，對于一些對功耗要求較高的應用場景，如電池供電設備，TCA9534能夠顯著延長設備的續(xù)航時間。

2.3 靈活的I/O擴展功能

作為I2C到并行端口擴展器，它可以為系統(tǒng)提供額外的I/O端口，方便連接各種外部設備，如開關、傳感器、按鈕、LED等。

2.4 中斷輸出功能

擁有開漏低電平有效中斷輸出，當輸入端口狀態(tài)發(fā)生變化時，INT引腳會產(chǎn)生中斷信號，通知主設備及時處理輸入變化，提高系統(tǒng)的響應速度。

2.5 多設備掛載能力

通過三個硬件地址引腳（A0、A1、A2），允許在I2C/SMBus上最多掛載八個TCA9534設備，方便實現(xiàn)大規(guī)模的I/O擴展。

2.6 豐富的寄存器配置

具備輸入和輸出配置寄存器以及極性反轉(zhuǎn)寄存器，用戶可以根據(jù)實際需求靈活配置I/O端口的輸入輸出模式和極性，增強了設備的通用性和靈活性。

2.7 可靠的復位機制

內(nèi)部集成電源上電復位功能，上電時所有通道默認配置為輸入狀態(tài)，并且在電源循環(huán)時可以將設備復位到默認狀態(tài)，確保系統(tǒng)的初始狀態(tài)穩(wěn)定。

2.8 高驅(qū)動能力

輸出具有鎖存功能，并且具備高電流驅(qū)動能力，能夠直接驅(qū)動LED，簡化了電路設計。

三、應用場景廣泛

TCA9534的應用場景十分廣泛，涵蓋了多個領域：

3.1 服務器和路由器

在服務器和路由器等電信交換設備中，TCA9534可以用于擴展I/O端口，連接各種傳感器和控制信號，實現(xiàn)設備的監(jiān)測和控制功能。

3.2 個人計算機和消費電子

在個人計算機和消費電子設備，如游戲機中，TCA9534可以為設備提供額外的I/O接口，方便連接外部設備，提升用戶體驗。

3.3 工業(yè)自動化

在工業(yè)自動化領域，TCA9534可以用于連接各種工業(yè)傳感器和執(zhí)行器，實現(xiàn)工業(yè)設備的自動化控制和監(jiān)測。

3.4 GPIO受限的處理器產(chǎn)品

對于一些GPIO資源有限的處理器產(chǎn)品，TCA9534可以作為有效的I/O擴展解決方案，滿足系統(tǒng)對I/O端口數(shù)量的需求。

四、技術參數(shù)詳解

4.1 絕對最大額定值

TCA9534的電源電壓（Vcc）范圍為 - 0.5V至6V，輸入電壓（V1）和輸出電壓（Vo）范圍同樣為 - 0.5V至6V。輸入和輸出鉗位電流在不同條件下有相應的限制，如輸入鉗位電流（lK）在Vi < 0時最大為 - 20mA，輸出鉗位電流（lok）在Vo < 0時最大為 - 20mA等。連續(xù)輸出低電流（loL）通過單個P端口最大為50mA，連續(xù)輸出高電流（loH）通過單個P端口最大為 - 50mA。最大結溫（TJ(MAX)）為100℃，存儲溫度范圍為 - 65℃至150℃。在實際應用中，必須嚴格遵守這些參數(shù)限制，以確保設備的安全和穩(wěn)定運行。

4.2 ESD評級

人體模型（HBM）的ESD電壓為 + 2000V，帶電設備模型（CDM）的ESD電壓為 ± 1000V。這表明TCA9534在靜電防護方面具有較好的性能，但在實際操作中仍需注意靜電防護措施，避免設備受到靜電損壞。

4.3 推薦工作條件

電源電壓（Vcc）推薦范圍為1.65V至5.5V，高電平輸入電壓（VIH）和低電平輸入電壓（VIL）在不同的引腳和電源電壓條件下有相應的要求。例如，SCL和SDA引腳在Vcc = 1.65V至5.5V時，VIH為0.7xVcc至Vcc，VIL為 - 0.5V至0.3xVcc。高電平輸出電流（loH）任何P端口最大為 - 10mA，低電平輸出電流（loL）在不同的結溫條件下有不同的取值，如Ts ≤ 65℃時為25mA，Tjs ≤ 85℃時為18mA，Tjs ≤ 105℃時為9mA等。工作自由空氣溫度范圍為 - 40℃至85℃。在設計電路時，應確保設備在推薦工作條件下運行，以保證其性能和可靠性。

4.4 熱信息

TCA9534提供了多種熱性能參數(shù)，如結到環(huán)境熱阻（RaJA）、結到外殼（頂部）熱阻（Rauc(top)）、結到電路板熱阻（RauB）等。不同封裝類型的熱性能參數(shù)有所不同，例如TSSOP（16）封裝的RaJA為122℃/W，SOIC（16）封裝的RaJA為92.2℃/W。這些熱性能參數(shù)對于評估設備的散熱情況和進行熱設計非常重要。

4.5 電氣特性

輸入二極管鉗位電壓（VIK）在I = - 18mA、Vcc為1.65V至5.5V時為 - 1.2V，上電復位電壓（VPORR）在Vcc上升時為1.2V至1.5V，Vcc下降時為0.75V至1V。P端口高電平輸出電壓（VoH）在不同的電源電壓和輸出電流條件下有不同的取值，如Vcc = 1.65V、loH = - 8mA時，VoH為1.2V。SDA、P端口和INT在不同的輸出低電壓條件下有相應的輸出電流限制。在實際應用中，需要根據(jù)具體的電路要求和電氣特性參數(shù)來選擇合適的電源和負載。

4.6 I2C接口時序要求

TCA9534支持標準模式和快速模式的I2C通信。在標準模式下，I2C時鐘頻率（fscl）為0至100kHz，時鐘高時間（tsch）為4μs，時鐘低時間（tscl）為4.7μs等。在快速模式下，fscl為0至400kHz，tsch為0.6μs，tscl為1.3μs等。這些時序要求對于確保I2C通信的穩(wěn)定性和正確性至關重要，在設計電路和編寫驅(qū)動程序時必須嚴格遵守。

4.7 開關特性

中斷有效時間（tiv）從P端口到INT最大為4μs，中斷復位延遲時間（tir）從SCL到INT最大為4μs，輸出數(shù)據(jù)有效時間（tpv）從SCL到P7 - P0最大為350ns，輸入數(shù)據(jù)建立時間（tps）從P端口到SCL最小為100ns，輸入數(shù)據(jù)保持時間（tph）從P端口到SCL最小為1μs。這些開關特性參數(shù)對于評估設備的響應速度和信號傳輸延遲非常重要。

4.8 典型特性

文檔中提供了多個典型特性曲線，如不同電源電壓下的電源電流與溫度的關系曲線、待機電源電流與溫度的關系曲線、I/O灌電流與輸出低電壓的關系曲線等。這些典型特性曲線可以幫助工程師更好地了解設備在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為電路設計和參數(shù)調(diào)整提供參考。

五、詳細功能解析

5.1 功能框圖

TCA9534的功能框圖展示了其內(nèi)部結構和各個模塊之間的連接關系。在電源上電復位時，所有寄存器會恢復到默認值。該設備主要由配置寄存器、輸入端口寄存器、輸出端口寄存器和極性反轉(zhuǎn)寄存器等組成，通過I2C接口與主設備進行通信。

5.2 I/O端口配置

當I/O配置為輸入時，F(xiàn)ETs Q1和Q2關閉，形成高阻抗輸入，輸入電壓可升至高于Vcc但最大不超過5.5V。當I/O配置為輸出時，Q1或Q2根據(jù)輸出端口寄存器的狀態(tài)啟用，此時I/O引腳與Vcc或GND之間存在低阻抗路徑。在實際應用中，需要根據(jù)外部設備的要求合理配置I/O端口的輸入輸出模式。

5.3 中斷輸出（INT）

在輸入模式下，端口輸入的任何上升或下降沿都會產(chǎn)生中斷。經(jīng)過時間tiv后，INT信號有效。中斷電路的復位可以通過將端口數(shù)據(jù)恢復到原始設置或讀取產(chǎn)生中斷的端口數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。在讀取模式下，中斷在SCL信號上升沿后的確認（ACK）位處復位。需要注意的是，在ACK時鐘脈沖期間發(fā)生的中斷可能會丟失或非常短。此外，INT輸出具有開漏結構，需要通過上拉電阻連接到Vcc。中斷輸出功能可以提高系統(tǒng)的響應速度，及時處理輸入端口的狀態(tài)變化。

5.4 設備功能模式

5.4.1 上電復位

當電源從0V施加到Vcc時，內(nèi)部上電復位會使TCA9534保持復位狀態(tài)，直到Vcc達到VWORK為止。此時，復位條件釋放，TCA9534的寄存器和SMBus/I2C狀態(tài)機初始化為默認狀態(tài)。之后，需要將Vcc降低到VPORF以下，然后再恢復到工作電壓，才能進行一次上電復位循環(huán)。上電復位功能可以確保設備在啟動時處于穩(wěn)定的初始狀態(tài)。

5.4.2 編程

TCA9534具有標準的雙向I2C接口，由主設備控制以配置或讀取設備狀態(tài)。每個I2C總線上的從設備都有一個特定的設備地址，用于區(qū)分其他從設備。主設備通過訪問從設備的內(nèi)部寄存器映射來進行配置和數(shù)據(jù)讀寫操作。I2C接口的物理線路包括串行時鐘（SCL）和串行數(shù)據(jù)（SDA）線，這兩條線都需要通過上拉電阻連接到Vcc。上拉電阻的大小由I2C線上的電容決定。數(shù)據(jù)傳輸只能在總線空閑時啟動，當SDA和SCL線在STOP條件后都為高電平時，總線被認為是空閑的。主設備訪問從設備的一般過程包括發(fā)送START條件、尋址從設備、發(fā)送或接收數(shù)據(jù)以及發(fā)送STOP條件等步驟。

六、應用設計要點

6.1 應用信息

TCA9534常用于獲取更多通用I/O端口，常見的應用場景包括接收其他IC的輸入信號（如傳感器的中斷信號）、檢測物理按鈕的按下狀態(tài)、控制其他IC的復位或使能信號以及驅(qū)動LED提供視覺反饋等。

6.2 典型應用設計

6.2.1 設計要求

在設計使用TCA9534的電路時，需要計算結溫和功耗。結溫計算公式為$T{j}=T{A}+(theta{JA} × Poukiwwi)$，其中$theta{JA}$是封裝的標準結到環(huán)境熱阻，$Pgiiisqm$是設備的總功耗?？偣牡慕朴嬎愎綖?P48ykuuq approx (I{CC{-} STATIC} × V{CC})+sum P{d{-} PORT{-} L}+sum P{d{-} PORT{-} H}$，其中$P{d{-} PORT{-} L}=(I{OL} × V{OL})$，$P{d{-} PORT{-} H}=(I{OH} × (V{CC}-V{OH}))$。在設計過程中，必須確保不違反推薦工作條件，以保證設備的安全運行。 當I/O用于控制LED時，為了最小化ICC電流消耗，需要確保P端口控制LED的電壓在配置為輸入時大于或等于Vcc?？梢圆捎迷贚ED上并聯(lián)高值電阻或使Vcc低于LED電源電壓至少$V{T}$的方法來實現(xiàn)這一目標。

6.2.2 詳細設計步驟

SCL和SDA線的上拉電阻$R{P}$需要根據(jù)I2C總線上所有從設備的總電容進行合理選擇。最小上拉電阻計算公式為$R{p(min)}=frac{V{C C}-V{OL(max)}}{I{OL}}$，最大上拉電阻計算公式為$R{p(max)}=frac{t{r}}{0.8473 × C}$，其中$t{r}$為最大上升時間（快速模式下為300ns），$C$為總線電容。I2C總線的最大總線電容在標準模式或快速模式下不得超過400pF，總線電容可以通過將TCA9534的電容、線路和連接的電容以及其他從設備的電容相加來近似計算。

6.3 應用曲線

文檔中提供了最大上拉電阻（$R{p(max)}$）與總線電容（$C$）的關系曲線以及最小上拉電阻（$R{p(min)}$）與上拉參考電壓（$V{CC}$）的關系曲線。這些應用曲線可以幫助工程師直觀地了解上拉電阻與總線電容和電源電壓之間的關系，從而選擇合適的上拉電阻值。

七、電源供應建議

7.1 上電復位要求

TCA9534可以通過上電復位功能在出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)損壞時恢復到默認狀態(tài)。上電復位需要設備進行一次電源循環(huán)，包括將Vcc降低到VPORF以下，然后再恢復到工作電壓。電源供應中的毛刺可能會影響上電復位性能，毛刺寬度（$V{CC underline GW}$）和高度（$V{CC underline GH}$）相互關聯(lián)，旁路電容、源阻抗和設備阻抗等因素也會影響上電復位性能。文檔中提供了推薦的電源供應時序和斜坡速率參數(shù)，如VCC_FT（下降速率）為1至2000ms，VCC_RT（上升速率）為0.1至2000ms等。

7.2 布局設計

在進行TCA9534的印刷電路板（PCB）布局時，需要遵循常見的PCB布局原則。雖然I2C信號速度不需要考慮高速數(shù)據(jù)傳輸中的匹配阻抗和差分對等問題，但仍需注意避免信號跡線出現(xiàn)直角，將信號跡線從集成電路附近分散開，使用較粗的跡線來承載較大的電流，如電源和接地跡線。為了控制Vcc引腳的電壓，通常會使用旁路和去耦電容，大電容用于在電源短暫故障時提供額外的功率，小電容用于過濾高頻紋波。這些電容應盡可能靠近TCA9534放置。對于信號路由密度較高的電路板，4層板是更優(yōu)的選擇，通常將信號路由在頂層和底層，一個內(nèi)部層用作接地平面，另一個內(nèi)部層用作電源平面。在使用平面或分割平面進行電源和接地布局時，需要在需要連接到Vcc或GND的表面貼裝元件焊盤旁邊直接放置過孔，并將過孔電氣連接到內(nèi)部層或電路板的另一側。

八、設備和文檔支持

8.1 文檔支持

提供了一系列相關文檔，如I2C總線拉電阻計算、I2C總線使用中繼器的最大時鐘頻率、邏輯介紹、理解I2C總線、為新設計選擇正確的I2C設備以及I/O擴展器EVM用戶指南等。這些文檔可以幫助工程師更好地了解和使用TCA9534。

8.2 文檔更新通知

可以通過訪問ti.com上的設備產(chǎn)品文件夾，在右上角點擊“Alert me”進行注冊，以接收每周的產(chǎn)品信息更新摘要。同時，可以查看修訂文檔中的修訂歷史以了解具體的變更細節(jié)。

8.3 社區(qū)資源

TI提供了E2E?在線社區(qū)和設計支持資源。在E2E社區(qū)中，工程師可以與其他同行交流問題、分享知識、探索想法并共同解決問題。設計支持資源可以幫助工程師快速找到有用的E2E論壇、設計支持工具以及技術支持的聯(lián)系信息。

8.4 靜電放電注意事項

TCA9534是一款集成電路，容易受到靜電放電（ESD）的損壞。TI建議在處理所有集成電路時采取適當?shù)念A防措施，以避免因不當?shù)奶幚砗桶惭b程序?qū)е略O備損壞。ESD損壞可能導致設備性能下降甚至完全失效，特別是對于精密