TCA9534：低電壓8位I2C和SMBUS低功耗I/O擴(kuò)展器的全面解析

在電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，I/O擴(kuò)展器是解決微控制器I/O端口不足問(wèn)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(kuò)展器，憑借其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在眾多電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來(lái)深入探討一下TCA9534的各項(xiàng)特性、技術(shù)參數(shù)以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、TCA9534概述

TCA9534是一款16引腳的設(shè)備，為兩線(xiàn)雙向I2C總線(xiàn)（或SMBus）協(xié)議提供8位通用并行輸入和輸出（I/O）擴(kuò)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(shè)備兼容。同時(shí)，該設(shè)備支持100kHz（標(biāo)準(zhǔn)模式）和400kHz（快速模式）的時(shí)鐘頻率，可滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的通信需求。

二、主要特性亮點(diǎn)

2.1 強(qiáng)大的ESD保護(hù)能力

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

2.2 低功耗設(shè)計(jì)

具有低待機(jī)電流消耗的特點(diǎn)，對(duì)于一些對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如電池供電設(shè)備，TCA9534能夠顯著延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

2.3 靈活的I/O擴(kuò)展功能

作為I2C到并行端口擴(kuò)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(shè)備，如開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕、LED等。

2.4 中斷輸出功能

擁有開(kāi)漏低電平有效中斷輸出，當(dāng)輸入端口狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，INT引腳會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知主設(shè)備及時(shí)處理輸入變化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2.5 多設(shè)備掛載能力

通過(guò)三個(gè)硬件地址引腳（A0、A1、A2），允許在I2C/SMBus上最多掛載八個(gè)TCA9534設(shè)備，方便實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的I/O擴(kuò)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(hù)可以根據(jù)實(shí)際需求靈活配置I/O端口的輸入輸出模式和極性，增強(qiáng)了設(shè)備的通用性和靈活性。

2.7 可靠的復(fù)位機(jī)制

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

2.8 高驅(qū)動(dòng)能力

輸出具有鎖存功能，并且具備高電流驅(qū)動(dòng)能力，能夠直接驅(qū)動(dòng)LED，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

三、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

TCA9534的應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域：

3.1 服務(wù)器和路由器

在服務(wù)器和路由器等電信交換設(shè)備中，TCA9534可以用于擴(kuò)展I/O端口，連接各種傳感器和控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制功能。

3.2 個(gè)人計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子

在個(gè)人計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子設(shè)備，如游戲機(jī)中，TCA9534可以為設(shè)備提供額外的I/O接口，方便連接外部設(shè)備，提升用戶(hù)體驗(yàn)。

3.3 工業(yè)自動(dòng)化

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，TCA9534可以用于連接各種工業(yè)傳感器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化控制和監(jiān)測(cè)。

3.4 GPIO受限的處理器產(chǎn)品

對(duì)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(kuò)展解決方案，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)I/O端口數(shù)量的需求。

四、技術(shù)參數(shù)詳解

4.1 絕對(duì)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(yīng)的限制，如輸入鉗位電流（lK）在Vi < 0時(shí)最大為 - 20mA，輸出鉗位電流（lok）在Vo < 0時(shí)最大為 - 20mA等。連續(xù)輸出低電流（loL）通過(guò)單個(gè)P端口最大為50mA，連續(xù)輸出高電流（loH）通過(guò)單個(gè)P端口最大為 - 50mA。最大結(jié)溫（TJ(MAX)）為100℃，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65℃至150℃。在實(shí)際應(yīng)用中，必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)限制，以確保設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 ESD評(píng)級(jí)

人體模型（HBM）的ESD電壓為 + 2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）的ESD電壓為 ± 1000V。這表明TCA9534在靜電防護(hù)方面具有較好的性能，但在實(shí)際操作中仍需注意靜電防護(hù)措施，避免設(shè)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(yīng)的要求。例如，SCL和SDA引腳在Vcc = 1.65V至5.5V時(shí)，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(jié)溫條件下有不同的取值，如Ts ≤ 65℃時(shí)為25mA，Tjs ≤ 85℃時(shí)為18mA，Tjs ≤ 105℃時(shí)為9mA等。工作自由空氣溫度范圍為 - 40℃至85℃。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)確保設(shè)備在推薦工作條件下運(yùn)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(jié)到環(huán)境熱阻（RaJA）、結(jié)到外殼（頂部）熱阻（Rauc(top)）、結(jié)到電路板熱阻（RauB）等。不同封裝類(lèi)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(duì)于評(píng)估設(shè)備的散熱情況和進(jìn)行熱設(shè)計(jì)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(shí)為 - 1.2V，上電復(fù)位電壓（VPORR）在Vcc上升時(shí)為1.2V至1.5V，Vcc下降時(shí)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(shí)，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(yīng)的輸出電流限制。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的電路要求和電氣特性參數(shù)來(lái)選擇合適的電源和負(fù)載。

4.6 I2C接口時(shí)序要求

TCA9534支持標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式的I2C通信。在標(biāo)準(zhǔn)模式下，I2C時(shí)鐘頻率（fscl）為0至100kHz，時(shí)鐘高時(shí)間（tsch）為4μs，時(shí)鐘低時(shí)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(shí)序要求對(duì)于確保I2C通信的穩(wěn)定性和正確性至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)電路和編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)必須嚴(yán)格遵守。

4.7 開(kāi)關(guān)特性

中斷有效時(shí)間（tiv）從P端口到INT最大為4μs，中斷復(fù)位延遲時(shí)間（tir）從SCL到INT最大為4μs，輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)間（tpv）從SCL到P7 - P0最大為350ns，輸入數(shù)據(jù)建立時(shí)間（tps）從P端口到SCL最小為100ns，輸入數(shù)據(jù)保持時(shí)間（tph）從P端口到SCL最小為1μs。這些開(kāi)關(guān)特性參數(shù)對(duì)于評(píng)估設(shè)備的響應(yīng)速度和信號(hào)傳輸延遲非常重要。

4.8 典型特性

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

五、詳細(xì)功能解析

5.1 功能框圖

TCA9534的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各個(gè)模塊之間的連接關(guān)系。在電源上電復(fù)位時(shí)，所有寄存器會(huì)恢復(fù)到默認(rèn)值。該設(shè)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(guò)I2C接口與主設(shè)備進(jìn)行通信。

5.2 I/O端口配置

當(dāng)I/O配置為輸入時(shí)，F(xiàn)ETs Q1和Q2關(guān)閉，形成高阻抗輸入，輸入電壓可升至高于Vcc但最大不超過(guò)5.5V。當(dāng)I/O配置為輸出時(shí)，Q1或Q2根據(jù)輸出端口寄存器的狀態(tài)啟用，此時(shí)I/O引腳與Vcc或GND之間存在低阻抗路徑。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)外部設(shè)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(huì)產(chǎn)生中斷。經(jīng)過(guò)時(shí)間tiv后，INT信號(hào)有效。中斷電路的復(fù)位可以通過(guò)將端口數(shù)據(jù)恢復(fù)到原始設(shè)置或讀取產(chǎn)生中斷的端口數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在讀取模式下，中斷在SCL信號(hào)上升沿后的確認(rèn)（ACK）位處復(fù)位。需要注意的是，在ACK時(shí)鐘脈沖期間發(fā)生的中斷可能會(huì)丟失或非常短。此外，INT輸出具有開(kāi)漏結(jié)構(gòu)，需要通過(guò)上拉電阻連接到Vcc。中斷輸出功能可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，及時(shí)處理輸入端口的狀態(tài)變化。

5.4 設(shè)備功能模式

5.4.1 上電復(fù)位

當(dāng)電源從0V施加到Vcc時(shí)，內(nèi)部上電復(fù)位會(huì)使TCA9534保持復(fù)位狀態(tài)，直到Vcc達(dá)到VWORK為止。此時(shí)，復(fù)位條件釋放，TCA9534的寄存器和SMBus/I2C狀態(tài)機(jī)初始化為默認(rèn)狀態(tài)。之后，需要將Vcc降低到VPORF以下，然后再恢復(fù)到工作電壓，才能進(jìn)行一次上電復(fù)位循環(huán)。上電復(fù)位功能可以確保設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)處于穩(wěn)定的初始狀態(tài)。

5.4.2 編程

TCA9534具有標(biāo)準(zhǔn)的雙向I2C接口，由主設(shè)備控制以配置或讀取設(shè)備狀態(tài)。每個(gè)I2C總線(xiàn)上的從設(shè)備都有一個(gè)特定的設(shè)備地址，用于區(qū)分其他從設(shè)備。主設(shè)備通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)從設(shè)備的內(nèi)部寄存器映射來(lái)進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作。I2C接口的物理線(xiàn)路包括串行時(shí)鐘（SCL）和串行數(shù)據(jù)（SDA）線(xiàn)，這兩條線(xiàn)都需要通過(guò)上拉電阻連接到Vcc。上拉電阻的大小由I2C線(xiàn)上的電容決定。數(shù)據(jù)傳輸只能在總線(xiàn)空閑時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)SDA和SCL線(xiàn)在STOP條件后都為高電平時(shí)，總線(xiàn)被認(rèn)為是空閑的。主設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)從設(shè)備的一般過(guò)程包括發(fā)送START條件、尋址從設(shè)備、發(fā)送或接收數(shù)據(jù)以及發(fā)送STOP條件等步驟。

六、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 應(yīng)用信息

TCA9534常用于獲取更多通用I/O端口，常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景包括接收其他IC的輸入信號(hào)（如傳感器的中斷信號(hào)）、檢測(cè)物理按鈕的按下?tīng)顟B(tài)、控制其他IC的復(fù)位或使能信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)LED提供視覺(jué)反饋等。

6.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

6.2.1 設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)使用TCA9534的電路時(shí)，需要計(jì)算結(jié)溫和功耗。結(jié)溫計(jì)算公式為$T{j}=T{A}+(theta{JA} × Pmuikaa0wy)$，其中$theta{JA}$是封裝的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)到環(huán)境熱阻，$Pmuikaa0wy$是設(shè)備的總功耗?？偣牡慕朴?jì)算公式為$Pmuikaa0wy approx (I{CC{-} STATIC} × V{CC})+sum P{d{-} PORT{-} L}+sum P{d{-} PORT{-} H}$，其中$P{d{-} PORT{-} L}=(I{OL} × V{OL})$，$P{d{-} PORT{-} H}=(I{OH} × (V{CC}-V{OH}))$。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須確保不違反推薦工作條件，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。 當(dāng)I/O用于控制LED時(shí)，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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

6.2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

SCL和SDA線(xiàn)的上拉電阻$R{P}$需要根據(jù)I2C總線(xiàn)上所有從設(shè)備的總電容進(jìn)行合理選擇。最小上拉電阻計(jì)算公式為$R{p(min)}=frac{V{C C}-V{OL(max)}}{I{OL}}$，最大上拉電阻計(jì)算公式為$R{p(max)}=frac{t{r}}{0.8473 × C}$，其中$t{r}$為最大上升時(shí)間（快速模式下為300ns），$C$為總線(xiàn)電容。I2C總線(xiàn)的最大總線(xiàn)電容在標(biāo)準(zhǔn)模式或快速模式下不得超過(guò)400pF，總線(xiàn)電容可以通過(guò)將TCA9534的電容、線(xiàn)路和連接的電容以及其他從設(shè)備的電容相加來(lái)近似計(jì)算。

6.3 應(yīng)用曲線(xiàn)

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

七、電源供應(yīng)建議

7.1 上電復(fù)位要求

TCA9534可以通過(guò)上電復(fù)位功能在出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)損壞時(shí)恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)。上電復(fù)位需要設(shè)備進(jìn)行一次電源循環(huán)，包括將Vcc降低到VPORF以下，然后再恢復(fù)到工作電壓。電源供應(yīng)中的毛刺可能會(huì)影響上電復(fù)位性能，毛刺寬度（$V{CC underline GW}$）和高度（$V{CC underline GH}$）相互關(guān)聯(lián)，旁路電容、源阻抗和設(shè)備阻抗等因素也會(huì)影響上電復(fù)位性能。文檔中提供了推薦的電源供應(yīng)時(shí)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(shè)計(jì)

在進(jìn)行TCA9534的印刷電路板（PCB）布局時(shí)，需要遵循常見(jiàn)的PCB布局原則。雖然I2C信號(hào)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(duì)等問(wèn)題，但仍需注意避免信號(hào)跡線(xiàn)出現(xiàn)直角，將信號(hào)跡線(xiàn)從集成電路附近分散開(kāi)，使用較粗的跡線(xiàn)來(lái)承載較大的電流，如電源和接地跡線(xiàn)。為了控制Vcc引腳的電壓，通常會(huì)使用旁路和去耦電容，大電容用于在電源短暫故障時(shí)提供額外的功率，小電容用于過(guò)濾高頻紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近TCA9534放置。對(duì)于信號(hào)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(hào)路由在頂層和底層，一個(gè)內(nèi)部層用作接地平面，另一個(gè)內(nèi)部層用作電源平面。在使用平面或分割平面進(jìn)行電源和接地布局時(shí)，需要在需要連接到Vcc或GND的表面貼裝元件焊盤(pán)旁邊直接放置過(guò)孔，并將過(guò)孔電氣連接到內(nèi)部層或電路板的另一側(cè)。

八、設(shè)備和文檔支持

8.1 文檔支持

提供了一系列相關(guān)文檔，如I2C總線(xiàn)拉電阻計(jì)算、I2C總線(xiàn)使用中繼器的最大時(shí)鐘頻率、邏輯介紹、理解I2C總線(xiàn)、為新設(shè)計(jì)選擇正確的I2C設(shè)備以及I/O擴(kuò)展器EVM用戶(hù)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(guò)訪(fǎng)問(wèn)ti.com上的設(shè)備產(chǎn)品文件夾，在右上角點(diǎn)擊“Alert me”進(jìn)行注冊(cè)，以接收每周的產(chǎn)品信息更新摘要。同時(shí)，可以查看修訂文檔中的修訂歷史以了解具體的變更細(xì)節(jié)。

8.3 社區(qū)資源

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

8.4 靜電放電注意事項(xiàng)

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(shí)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，以避免因不當(dāng)?shù)奶幚砗桶惭b程序?qū)е略O(shè)備損壞。ESD損壞可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降甚至完全失效，特別是對(duì)于精密