電子工程師必看：TCA9537 4位I2C和SMBus I/O擴(kuò)展器深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，I/O擴(kuò)展器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能擴(kuò)展的重要組件。今天，我們來深入探討德州儀器（TI）的TCA9537，一款專為I2C總線設(shè)計(jì)的4位I/O擴(kuò)展器，它能為大多數(shù)微控制器系列產(chǎn)品提供通用遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展，具有諸多出色特性。

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1. 特性亮點(diǎn)

1.1 寬電壓工作范圍

TCA9537可在1.65V至5.5V的$V_{CC}$下運(yùn)行，這使得它能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，為設(shè)計(jì)帶來了更大的靈活性。同時(shí)，其I/O端口可耐受5V電壓，增強(qiáng)了器件的可靠性和兼容性。

1.2 豐富的復(fù)位機(jī)制

它支持通過I2C通用呼叫實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位，還有用于外部復(fù)位控制的RESET輸入引腳。當(dāng)發(fā)生超時(shí)或其他不當(dāng)操作時(shí)，系統(tǒng)處理器可使用I2C軟復(fù)位命令或RESET引腳將TCA9537復(fù)位，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3 高速I2C總線支持

具備1MHz快速+模式I2C總線，能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅岣呦到y(tǒng)的響應(yīng)速度。

1.4 中斷輸出功能

開漏中斷輸出（INT）在任何輸入與其對應(yīng)輸入端口寄存器狀態(tài)不同時(shí)被激活，能及時(shí)向系統(tǒng)控制器指明輸入狀態(tài)的改變，方便系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

1.5 完善的寄存器配置

擁有輸入和輸出配置寄存器、極性反轉(zhuǎn)寄存器，可對I/O進(jìn)行靈活配置，滿足不同的應(yīng)用需求。加電時(shí)所有通道均被配置為輸入，系統(tǒng)控制器可通過寫入I/O配置寄存器位將I/O啟用為輸入或輸出。

1.6 高驅(qū)動(dòng)能力與ESD保護(hù)

具有最大高電流驅(qū)動(dòng)能力的鎖存輸出，適用于直接驅(qū)動(dòng)LED。ESD保護(hù)性能超過JESD 22規(guī)范要求，包括2000V人體放電模型（A114 - A）和1000V帶電器件模型（C101），有效保護(hù)器件免受靜電損害。

2. 應(yīng)用場景廣泛

TCA9537的應(yīng)用場景十分豐富，涵蓋個(gè)人電子產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備、手機(jī)、游戲機(jī)等消費(fèi)領(lǐng)域，以及服務(wù)器、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，它能夠?yàn)?a target="_blank">微控制器提供額外的I/O接口，擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。

3. 規(guī)格參數(shù)詳解

3.1 絕對最大額定值

明確了器件在各種電氣參數(shù)下的極限值，如電源電流、輸入輸出電壓、結(jié)溫等。超出這些額定值運(yùn)行可能會(huì)對器件造成永久損壞，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵守。

3.2 ESD等級

不同引腳的ESD等級有所差異，如引腳P0至P3、$V_{CC}$的人體放電模型（HBM）為+4000V，引腳SDA、SCL為+2000V，所有引腳的充電器件模型（CDM）為±1000V。這提示我們在使用和處理器件時(shí)要采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施。

3.3 建議運(yùn)行條件

給出了器件正常運(yùn)行時(shí)的電源電壓、輸入電壓、輸出電流、環(huán)境溫度和結(jié)溫等參數(shù)范圍。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)確保器件工作在這些建議條件內(nèi)，以保證其性能和可靠性。

3.4 熱性能信息

提供了結(jié)至環(huán)境熱阻、結(jié)至外殼熱阻、結(jié)至電路板熱阻等熱性能參數(shù)，有助于我們在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)進(jìn)行參考，確保器件在合適的溫度下工作。

3.5 電氣特性

詳細(xì)列出了器件在不同電源電壓和工作模式下的靜態(tài)電流、輸入引腳電容等電氣參數(shù)。例如，在不同的$V_{CC}$下，靜態(tài)電流會(huì)有所不同，這對于低功耗設(shè)計(jì)尤為重要。

3.6 時(shí)序要求

包括加電至啟動(dòng)條件時(shí)間、復(fù)位脈沖持續(xù)時(shí)間、復(fù)位恢復(fù)時(shí)間等。這些時(shí)序參數(shù)是保證器件正常通信和操作的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)I2C總線通信時(shí)必須嚴(yán)格遵循。

3.7 I2C總線時(shí)序要求

針對不同的I2C總線模式（標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式、快速模式+），規(guī)定了時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘高電平時(shí)間、時(shí)鐘低電平時(shí)間、尖峰時(shí)間等時(shí)序參數(shù)。不同模式下的參數(shù)差異，要求我們根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模式，并確?？偩€通信的穩(wěn)定性。

3.8 開關(guān)特性

涉及中斷有效時(shí)間、中斷復(fù)位延遲時(shí)間、輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)間、輸入數(shù)據(jù)設(shè)置時(shí)間和保持時(shí)間等。這些特性對于理解器件的響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性至關(guān)重要。

3.9 典型特性

通過一系列圖表展示了不同溫度和電源電壓下，電源電流、$V{CC}-V{OH}$電壓、$V_{OL}$等參數(shù)的變化關(guān)系。這些典型特性曲線可以幫助我們在不同的工作條件下預(yù)估器件的性能。

4. 詳細(xì)功能剖析

4.1 功能概述

TCA9537由配置、輸入端口、輸出端口、極性反轉(zhuǎn)等寄存器組成。加電時(shí)，I/O被配置為輸入，系統(tǒng)控制器可通過寫入I/O配置寄存器位將I/O啟用為輸入或輸出。每個(gè)輸入或輸出的數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的寄存器中，輸入端口寄存器的極性可由極性反轉(zhuǎn)寄存器轉(zhuǎn)換。

4.2 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)，輸入電壓可升高到高于$V{CC}$，最大值為5.5V。當(dāng)配置為輸出時(shí)，Q1或Q2將被啟用，I/O引腳和$V{CC}$或GND之間存在低阻抗路徑，此時(shí)施加到I/O引腳的外部電壓不應(yīng)超過推薦電壓值。

4.3 中斷（INT）輸出

TCA9537具有專用的INT輸出，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。經(jīng)過時(shí)間$t_{iv}$后，信號INT將有效。當(dāng)端口上的數(shù)據(jù)更改為原始設(shè)置或從生成中斷的端口讀取數(shù)據(jù)時(shí)，中斷電路將復(fù)位。需要注意的是，INT在更改的數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送之前在ACK處復(fù)位，可能會(huì)導(dǎo)致在ACK時(shí)鐘脈沖期間發(fā)生的中斷丟失。

4.4 RESET輸入

可使RESET輸入有效以復(fù)位系統(tǒng)，將$RESET$引腳保持在低電平至少$t{W}$，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)$RESET$為低電平時(shí)，TCA9537寄存器和I2C/SMBus狀態(tài)機(jī)均更改為其默認(rèn)狀態(tài)；當(dāng)$RESET$為高電平時(shí)，可從外部或通過控制器更改P端口的I/O電平。如果未使用有效連接，該輸入需要將一個(gè)上拉電阻器連接到$V{CC}$。

5. 編程與寄存器映射

5.1 $I^{2}C$接口

TCA9537具有標(biāo)準(zhǔn)雙向I2C接口，由串行時(shí)鐘（SCL）和串行數(shù)據(jù)（SDA）線組成。SDA和SCL線都必須通過上拉電阻器連接至$V_{CC}$，上拉電阻器的阻值由$I^{2}C$線上的電容值決定。數(shù)據(jù)傳輸只能在總線處于空閑狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)。

5.1.1 寫入操作

控制器在總線上發(fā)送啟動(dòng)條件，帶有目標(biāo)器件地址以及設(shè)置為0的最后一位（R/$bar{W}$位），表示寫入操作。目標(biāo)器件確認(rèn)后，控制器發(fā)送要執(zhí)行寫入操作寄存器的寄存器地址，再次確認(rèn)后，開始發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)，最后以停止條件終止傳輸。

5.1.2 讀取操作

總線控制器首先發(fā)送TCA9537地址，并將LSB設(shè)置為邏輯0，隨后發(fā)送命令字節(jié)決定要訪問的寄存器。重新啟動(dòng)后，再次發(fā)送器件地址，但將LSB設(shè)置為邏輯1，然后由TCA9537發(fā)送命令字節(jié)所定義的寄存器中的數(shù)據(jù)。

5.2 軟件復(fù)位廣播

軟件復(fù)位廣播是I2C總線上的控制器發(fā)出的命令，指示所有支持該命令的器件復(fù)位為上電值。具體步驟包括發(fā)送啟動(dòng)條件、使用通用廣播I2C總線地址、發(fā)送特定數(shù)據(jù)字節(jié)等，成功完成這些步驟后，器件執(zhí)行復(fù)位，將所有寄存器值恢復(fù)為上電默認(rèn)值。

5.3 寄存器映射

5.3.1 器件地址

TCA9537具有7位固定地址，I2C使用7位地址，其中一位用作LSB的READ/WRITE位。

5.3.2 控制寄存器和命令字節(jié)

總線控制器通過發(fā)送命令字節(jié)來指定操作（讀取或?qū)懭耄┮约笆苡绊懙膬?nèi)部寄存器。不同的命令字節(jié)對應(yīng)不同的寄存器，如輸入端口寄存器、輸出端口寄存器、極性反轉(zhuǎn)寄存器和配置寄存器。

5.3.3 寄存器說明

• 輸入端口寄存器：反映引腳的輸入邏輯電平，只作用于讀取操作，寫入無影響。
• 輸出端口寄存器：顯示由配置寄存器定義為輸出的引腳的輸出邏輯電平，讀取的值反映控制輸出選擇的觸發(fā)器中的值。
• 極性反轉(zhuǎn)寄存器：允許對配置為輸入的引腳進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)。
• 配置寄存器：配置I/O引腳的方向，位值為1時(shí)，相應(yīng)端口引腳被啟用為輸入；位值為0時(shí)，啟用為輸出。

6. 應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 典型應(yīng)用示例

在一個(gè)典型應(yīng)用中，P0、P2和P3可配置為輸出，P1配置為輸入，用于處理中斷輸入以及輸出多個(gè)控制信號。

6.2 設(shè)計(jì)要求

6.2.1 減小$I_{cc}$

當(dāng)使用I/O控制LED時(shí)，為了減少電流消耗，可考慮在LED熄滅時(shí)使I/O引腳保持在高于或等于$V_{CC}$的狀態(tài)?？梢圆捎门cLED并聯(lián)高阻值電阻器或使用較低電壓供電的器件等方法。

6.2.2 上拉電阻器選擇

為SCL和SDA線選擇適當(dāng)?shù)纳侠娮杵?R{P}$，需要考慮$I^{2}C$總線上所有從器件的總電容。最小上拉電阻是$V{CC}$、$V{OL,(max)}$和$I{OL}$的函數(shù)，最大上拉電阻是最大上升時(shí)間和總線電容的函數(shù)。對于標(biāo)準(zhǔn)模式或快速模式運(yùn)行，$I^{2}C$總線的最大總線電容不得超過400pF。

7. 電源與布局建議

7.1 上電復(fù)位

如果發(fā)生干擾或數(shù)據(jù)損壞，可使用上電復(fù)位功能將TCA9537復(fù)位為默認(rèn)狀態(tài)。上電復(fù)位要求器件經(jīng)過下電上電后才能完全復(fù)位。在進(jìn)行上電復(fù)位時(shí)，需要注意電源的下降速率、上升速率、重新上升時(shí)間等參數(shù)，以及干擾對復(fù)位性能的影響。

7.2 布局指南

在進(jìn)行TCA9537的印刷電路板（PCB）布局時(shí)，應(yīng)遵循常見的PCB布局實(shí)踐。避免信號布線呈直角，讓信號布線呈扇形散開，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TCA9537放置，以控制$V_{CC}$引腳上的電壓。對于信號布線密度大的電路板，建議使用4層電路板，合理分配信號層、接地平面和電源平面。

8. 器件與文檔支持

8.1 文檔支持

TI提供了一系列相關(guān)文檔，如I2C總線上拉電阻器計(jì)算、I2C總線在采用中繼器時(shí)的最高時(shí)鐘頻率、邏輯器件簡介、了解I2C總線等。這些文檔對于深入理解和使用TCA9537非常有幫助。

8.2 接收文檔更新通知

可以通過導(dǎo)航至ti.com上的器件產(chǎn)品文件夾，點(diǎn)擊“訂閱更新”進(jìn)行注冊，每周接收產(chǎn)品信息更改摘要。

8.3 支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、經(jīng)過驗(yàn)證的解答和設(shè)計(jì)幫助的重要平臺。在論壇上，我們可以搜索現(xiàn)有解答或提出自己的問題，獲得所需的設(shè)計(jì)幫助。

總之，TCA9537作為一款功能強(qiáng)大的I/O擴(kuò)展器，在電子設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過深入了解其特性、規(guī)格、功能和應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，我們能夠更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，為電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供有力支持。希望本文能為電子工程師們在使用TCA9537時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用TCA9537的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。