TXE81XX 16 位和 24 位 SPI 總線 I/O 擴展器：特性與應用全解析

在電子設計領域，I/O 擴展器是解決系統 I/O 端口不足的重要工具。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）推出的 TXE81XX 16 位和 24 位 SPI 總線 I/O 擴展器，看看它有哪些獨特的特性和廣泛的應用場景。

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特性亮點

電源與性能

TXE81XX 工作電源電壓范圍為 1.65V 至 5.5V，具有很強的電源適應性。其低待機電流消耗僅 2.3μA（典型值），能有效降低系統功耗。在 SPI SCLK 頻率方面，3.3V 至 5.5V 電壓下支持 10MHz，1.65V 至 5.5V 電壓下支持 5MHz，可滿足不同的通信速率需求。

功能特性

• 輸入輸出保護：具備 5V 耐壓輸入和輸出端口，內置失效防護 I/O 功能，能有效保護器件免受高壓損壞。
• 中斷與復位：開漏低電平有效中斷輸出（INT）可及時反饋輸入狀態變化，低電平有效復位輸入（RESET）方便系統初始化。
• 靈活配置：GPIO 的所有輸入端都支持單獨的 I/O 控制和干擾濾波器，還支持 SPI 菊花鏈、I/O 讀取突發模式、I/O 極性反轉等功能，以及總線保持功能，可保持最后一個 I/O 狀態。
• 驅動能力：具有高電流驅動能力的鎖存輸出，可直接驅動 LED，方便實現顯示功能。
• 可靠性：閂鎖性能超過 100mA，符合 JESD 78 II 類規范要求；ESD 保護性能超過 JESD 22 規范要求，包括 2000V 人體放電模型（A114 - A）和 1000V 充電器件模型（C101），保證了器件在復雜環境下的可靠性。

應用領域

TXE81XX 的應用十分廣泛，涵蓋了工業、醫療、通信等多個領域，如工業運輸、工業自動化、測試和測量、工廠自動化與控制、醫療和保健、服務器、路由器等電信交換設備，以及采用 GPIO 受限處理器的產品。這些場景中，TXE81XX 能為系統提供額外的 I/O 端口，解決 I/O 不足的問題。

規格參數

絕對最大額定值

在自然通風條件下，電源電壓（Vcc）、輸入電壓（Vi）和輸出電壓（Vo）的范圍為 -0.5V 至 6.5V，輸入和輸出鉗位電流也有相應的限制。結溫（TJ）和貯存溫度（Tstg）范圍為 -40°C 至 150°C。超出這些絕對最大額定值運行可能會對器件造成永久損壞。

ESD 等級

靜電放電方面，人體放電模型（HBM）為 +2000V，充電器件模型（CDM）為 +1000V，符合相關標準，能有效防止靜電對器件的損害。

建議運行條件

建議運行的電源電壓范圍為 1.65V 至 5.5V，高電平輸入電壓（VIH）和低電平輸入電壓（VIL）根據不同引腳有相應的要求。高電平輸出電流（IoH）和低電平輸出電流（IoL）也有明確規定，環境溫度范圍為 -40°C 至 130°C。

熱性能信息

不同封裝的熱性能指標有所差異，如結至環境熱阻（RIJA）、結至外殼（頂部）熱阻（RJC(top)）、結至電路板熱阻（RBJB）等，在設計時需要根據實際情況選擇合適的封裝。

引腳配置與功能

TXE81XX 有多種封裝形式，如 TXE8124 的 VSSOP (32) 和 VQFN(32)，TXE8116 的 VSSOP(24) 和 VQFN(24)。每個引腳都有明確的功能，如 P 端口用于輸入/輸出，CS 為 SPI 芯片選擇輸入，SCLK 為 SPI 串行時鐘輸入等。在使用時，需要根據具體的應用需求進行正確的引腳連接。

詳細工作原理

數字內核與寄存器

TXE81XX 數字內核由 24 位寄存器組成，允許用戶配置 I/O 端口特性。上電或復位后，I/O 被配置為輸入，系統控制器可通過寫入方向配置寄存器將 I/O 配置為輸入或輸出。每個輸入或輸出的數據保存在相應的輸入端口或輸出端口寄存器中，輸入端口寄存器的極性可由極性反轉寄存器轉換。

I/O 端口特性

當 I/O 配置為輸入時，FET Q1 和 Q2 處于關閉狀態，創建高阻抗輸入；配置為輸出時，Q1 或 Q2 啟用，I/O 引腳和電源或 GND 之間存在低阻抗路徑。要確保正常運行，施加到 I/O 引腳的外部電壓不應超過推薦電壓值。

中斷輸出

TXE81XX 器件會在輸入 I/O 的任何上升沿或下降沿生成中斷，只要該 I/O 的中斷未被屏蔽。中斷保持有效直到該端口的所有中斷標志位都清零，讀取中斷標志狀態寄存器不會自動清除中斷。配置為輸出的 I/O 不會生成中斷。該器件有智能中斷、常規中斷、POR 中斷和失效防護冗余失敗中斷四種類型，可通過相應的寄存器進行配置和管理。

復位輸入與失效防護模式

RESET 可置為有效輸入以初始化系統，將 RESET 引腳保持在低電平至少 tW 可實現復位。SPI 控制器可將 TXE81XX 設置為失效防護狀態，通過對失效防護使能寄存器進行編程，啟用該功能并將引腳功能從復位更改為失效防護。在故障情況下，會向 SPI 控制器生成中斷，控制器需重新寫入相關寄存器。

其他功能

還支持軟件復位廣播、突發模式和菊花鏈等功能。軟件復位廣播可通過 SPI 總線上的控制器發出命令，使器件復位為上電默認狀態；突發模式可自動遞增地址，提高數據讀取效率；菊花鏈配置允許多個 TXE81XX 器件串聯，增加支持的 I/O 端口數量。

編程與寄存器映射

SPI 接口

TXE81XX 采用 SPI 接口設置器件配置、運行參數和讀取診斷信息。支持 SPI 模式 0（CPOL = 0，CPHA = 0），空閑時，時鐘（SCLK）為低電平，數據在 SCLK 的上升沿進行采樣，在下降沿改變。除了獨立芯片選擇的 SPI 總線，還支持菊花鏈配置，可減少 CS 線路數量。

數據格式與讀寫操作

SPI 數據格式為 24 位，以 MSB 優先的方式移入器件。寫入操作時，將 CS 驅動為低電平，移入 24 位數據，MSB 位為“0”表示寫入；讀取操作時，MSB 位為“1”表示只讀傳輸。在讀寫過程中，會有相應的狀態信息在 SDO 上發送。

寄存器映射

控制寄存器包括讀取/寫入與功能地址、端口選擇與多端口等部分，每個寄存器都有特定的功能和默認值。如暫存寄存器用于測試，器件 ID 寄存器用于識別器件型號，輸入端口寄存器反映 IO 引腳的輸入邏輯電平，輸出端口寄存器顯示輸出邏輯電平，方向配置寄存器配置 I/O 引腳的方向等。

應用與實施建議

典型應用

TXE81XX 可作為目標器件連接至 SPI 控制器，位于遠離控制器的遠程位置，靠近需要監視或控制的 GPIO。在典型應用中，可根據具體需求將 P 端口配置為輸入或輸出，部分可能浮動的輸入需要電阻器。

電源相關建議

上電復位要求器件經過下電上電后才能完全復位，電源中的干擾會影響上電復位性能，干擾寬度和高度相互依賴。旁路電容、源阻抗和器件阻抗是影響上電復位性能的因素，VPOR 對上電復位至關重要。

布局指南

在 PCB 布局時，應遵循常見的 PCB 布局實踐，避免信號布線呈直角，使用較粗的布線承載大電流。旁路電容器和去耦電容器應盡可能靠近 TXE81XX。對于信號布線密度大的電路板，建議使用 4 層電路板。

綜上所述，TXE81XX 16 位和 24 位 SPI 總線 I/O 擴展器以其豐富的特性、廣泛的應用場景和詳細的技術規格，為電子工程師提供了一個可靠的 I/O 擴展解決方案。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇器件的封裝、配置寄存器，并注意電源和布局等方面的問題，以充分發揮 TXE81XX 的性能優勢。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區留言分享。