TCA9535低電壓16位I2C和SMBus低功耗I/O擴展器：特性、應用與設計要點

引言

在電子設計領域，I/O擴展器是一種常見且重要的器件，它可以為系統提供更多的通用輸入輸出接口，以滿足各種復雜應用的需求。TCA9535作為一款低電壓16位I2C和SMBus低功耗I/O擴展器，具有諸多出色的特性和廣泛的應用場景。本文將詳細介紹TCA9535的特性、應用以及在設計過程中需要注意的要點，希望能為電子工程師們在實際項目中提供有價值的參考。

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一、TCA9535概述

TCA9535是一款24引腳的器件，專為I2C總線或SMBus協議設計，可提供16位的通用并行輸入輸出（I/O）擴展功能。它的電源電壓范圍為1.65 V至5.5 V，具有低待機電流消耗、開漏有源低電平中斷輸出、5 V耐受I/O端口以及支持400 kHz的快速I2C總線等特點。與TCA9555相比，TCA9535不包含內部I/O上拉電阻，在I/O引腳配置為輸入且未驅動時，需要在未使用的I/O引腳上添加上下拉電阻。

1.1 主要特性

• 寬電源電壓范圍：支持1.65 V至5.5 V的電源電壓，能適應不同的供電環境。
• 低功耗：具有低待機電流消耗，有助于降低系統整體功耗。
• 中斷輸出：開漏有源低電平中斷輸出，可用于向系統控制器指示輸入狀態的變化。
• 5 V耐受I/O端口：允許與多種設備連接，增強了器件的通用性。
• 高電流驅動能力：輸出具有高電流驅動能力，可直接驅動LED。
• ESD保護：靜電放電保護超過JESD 22標準，包括2000 V人體模型（A114 - A）和1000 V帶電器件模型（C101）。

1.2 應用領域

TCA9535的應用十分廣泛，包括但不限于以下領域：

• 服務器和路由器：用于擴展I/O接口，滿足設備對更多輸入輸出的需求。
• 個人計算機：可用于控制LED指示燈、讀取按鍵狀態等。
• 個人電子設備：如游戲機等，實現對各種外設的控制。
• 工業自動化：為GPIO受限的處理器提供額外的I/O擴展。

二、詳細規格與特性

2.1 絕對最大額定值

在使用TCA9535時，需要注意其絕對最大額定值，超出這些范圍可能會導致器件永久性損壞。例如，電源電壓（VCC）的范圍為 - 0.5 V至6 V，輸入電壓（VI）和輸出電壓（VO）同樣為 - 0.5 V至6 V，連續輸出低電流（IOL）最大為50 mA等。

2.2 ESD評級

TCA9535具有良好的靜電放電保護能力，人體模型（HBM）的ESD評級為±2000 V，帶電器件模型（CDM）的ESD評級為±1000 V。在實際操作中，仍需注意采取適當的靜電防護措施，以避免器件受到損壞。

2.3 推薦工作條件

推薦的電源電壓范圍為1.65 V至5.5 V，在不同的工作溫度下，對輸入輸出電壓和電流也有相應的要求。例如，高電平輸入電壓（VIH）為0.7 × VCC至VCC，高電平輸出電流（IOH）在不同的結溫下有不同的限制。

2.4 熱信息

不同封裝的TCA9535在熱性能方面有所差異，如TSSOP、SSOP、WQFN和VQFN封裝的器件，其結到環境的熱阻（ReJA）、結到外殼（頂部）的熱阻（Reuc(top)）等參數各不相同。在設計中，需要根據實際情況考慮器件的散熱問題，以確保其正常工作。

2.5 電氣特性

TCA9535的電氣特性包括輸入二極管鉗位電壓（VIK）、上電復位電壓（VPORR和VPORF）、P端口高電平輸出電壓（VoH）等。這些參數在不同的電源電壓和測試條件下有具體的數值范圍，工程師在設計時需要根據實際需求進行選擇。

2.6 I2C接口時序要求

TCA9535支持標準模式和快速模式的I2C總線，不同模式下對時鐘頻率、時鐘高時間、時鐘低時間、數據建立時間等時序參數有不同的要求。例如，標準模式下I2C時鐘頻率為0至100 kHz，快速模式下為0至400 kHz。在設計I2C接口時，必須嚴格滿足這些時序要求，以確保數據傳輸的準確性和穩定性。

2.7 開關特性

開關特性描述了器件在輸入輸出狀態轉換時的時間參數，如中斷有效時間（tiv）、中斷復位延遲時間（tr）、輸出數據有效時間（tpv）等。這些參數對于系統的實時性和響應速度有重要影響。

2.8 典型特性

文檔中還給出了TCA9535在不同溫度和電源電壓下的典型特性曲線，如電源電流與溫度、待機電源電流與溫度、I/O灌電流與輸出低電壓等關系。這些曲線可以幫助工程師更好地了解器件的性能特點，為電路設計提供參考。

三、功能描述與工作模式

3.1 功能概述

TCA9535包含兩個8位的配置寄存器、輸入端口寄存器、輸出端口寄存器和極性反轉寄存器。在上電時，I/O引腳默認配置為輸入狀態。系統控制器可以通過寫入I/O配置寄存器位來將I/O引腳啟用為輸入或輸出。輸入端口寄存器反映了引腳的實際邏輯電平，輸出端口寄存器控制引腳的輸出邏輯電平，極性反轉寄存器可以對輸入引腳的極性進行反轉。

3.2 中斷輸出功能

當任何輸入狀態與其對應的輸入端口寄存器狀態不同時，TCA9535的開漏中斷（INT）輸出將被激活。INT可以連接到微控制器的中斷輸入，以便在I/O端口狀態發生變化時及時通知微控制器，而無需通過I2C總線進行通信。需要注意的是，INT輸出需要連接一個上拉電阻到VCC，通常阻值約為10 kΩ。

3.3 硬件地址引腳

TCA9535具有3個硬件地址引腳（A0、A1和A2），用戶可以通過將這些引腳拉到VCC或GND來選擇器件的I2C地址。這樣，最多可以有8個TCA9535設備共享同一I2C總線或SMBus而不會發生地址沖突。在器件通電期間，地址引腳的電壓不能改變，以防止I2C傳輸過程中出現故障。

3.4 設備功能模式

• 上電復位（POR）：當電源施加到VCC時，內部上電復位電路會將TCA9535保持在復位狀態，直到VCC達到VPORR。此時，復位條件解除，器件的寄存器和I2C - SMBus狀態機將初始化為默認狀態。要進行一次電源復位循環，需要將VCC降低到VPORF以下，然后再恢復到工作電壓。
• 上電后：當VCC高于工作電壓且上電復位完成后，器件進入正常工作模式。此時，它可以接收任何傳入的I2C請求，并監控輸入端口的狀態變化。

四、編程與寄存器操作

4.1 I2C接口

TCA9535具有標準的雙向I2C接口，由控制器設備控制以配置或讀取器件的狀態。I2C接口由串行時鐘（SCL）和串行數據（SDA）線組成，這兩條線都需要通過上拉電阻連接到VCC。數據傳輸只能在總線空閑時啟動，即SDA和SCL線在停止條件后都為高電平。

4.2 總線事務

• 寫入操作：控制器要向TCA9535寫入數據時，首先發送起始條件和目標地址，將R/W位設置為0表示寫入。目標設備響應確認位后，控制器發送要寫入的寄存器地址，再次得到確認后，開始發送數據，最后以停止條件結束傳輸。
• 讀取操作：讀取操作與寫入操作類似，但需要額外的步驟。控制器首先發送起始條件和目標地址，R/W位為0，并發送要讀取的寄存器地址。得到確認后，再次發送起始條件，將R/W位設置為1表示讀取。目標設備確認讀取請求后，控制器釋放SDA總線，開始接收數據，每接收一個字節發送一個確認位，直到接收完所需的數據后發送一個非確認位，最后以停止條件結束傳輸。

4.3 設備地址

TCA9535的設備地址由硬件地址引腳（A0、A1和A2）決定，共有8種可能的地址。設備地址的最后一位定義了操作類型，高電平（1）表示讀取操作，低電平（0）表示寫入操作。

4.4 控制寄存器和命令字節

在成功確認地址字節后，總線控制器會發送一個命令字節，該字節存儲在TCA9535的控制寄存器中。命令字節的三位指定了操作類型（讀取或寫入）和受影響的內部寄存器（輸入、輸出、極性反轉或配置）。通過I2C總線可以對控制寄存器進行讀寫操作。

4.5 寄存器映射

• 輸入端口寄存器：反映引腳的實際邏輯電平，只讀，寫入操作無效。
• 輸出端口寄存器：控制引腳的輸出邏輯電平，對定義為輸入的引腳無效。
• 極性反轉寄存器：可以對定義為輸入的引腳的極性進行反轉。
• 配置寄存器：用于配置I/O引腳的方向，置為1表示輸入，置為0表示輸出。

五、應用與設計要點

5.1 應用信息

TCA9535通常作為目標設備連接到I2C控制器（處理器），I2C總線上可以包含任意數量的其他目標設備。它常用于控制LED、控制其他設備的使能或復位信號、讀取其他設備或按鈕的輸出等場景。

5.2 典型應用示例

文檔中給出了一個典型的應用原理圖，展示了TCA9535的具體連接方式和引腳配置。在這個示例中，部分引腳配置為輸出，用于控制外部設備，部分引腳配置為輸入，用于監測外部信號。

5.3 設計要求與注意事項

• 參數限制：在設計過程中，需要確保不違反器件的各項參數限制，如I2C和子系統電壓（Vcc）、輸出電流額定值、I2C總線時鐘速度等。
• 結溫計算：許多器件參數是基于結溫進行評級的，因此需要計算結溫以確保器件在安全的工作范圍內。計算公式為 $T{j}=T{A}+left(theta{JA} × Prp19iyqbright)$，其中 $T{j}$ 是結溫，$T{A}$ 是環境溫度，$theta{JA}$ 是結到環境的熱阻，$Prp19iyqb$ 是器件的總功耗。
• 最小化ICC：當使用I/O引腳控制LED時，為了最小化電流消耗，需要確保LED關閉時I/O引腳的電壓大于或等于VCC。可以采用在LED上并聯高值電阻或使VCC低于LED電源電壓等方法來實現。
• 上拉電阻選擇：SCL和SDA線的上拉電阻需要根據I2C總線上所有目標設備的總電容進行合理選擇。最小上拉電阻取決于VCC、$V{OL,(max)}$ 和 $I{OL}$，最大上拉電阻取決于最大上升時間和總線電容。

六、電源供應與布局建議

6.1 電源供應

在電源出現毛刺或數據損壞的情況下，可以使用上電復位功能將TCA9535重置為默認狀態。上電復位需要器件經歷一次電源循環，即VCC降低到一定閾值以下再恢復到工作電壓。文檔中給出了兩種上電復位的方式以及相應的性能參數，如下降速率、上升速率、重新上升時間等。同時，電源供應中的毛刺會影響上電復位性能，毛刺寬度和高度相互關聯，旁路電容、源阻抗和器件阻抗等因素也會對其產生影響。

6.2 布局建議

在進行印刷電路板（PCB）布局時，應遵循常見的PCB布局原則，如避免信號走線出現直角、將信號走線從集成電路附近分散開、使用較粗的走線來承載較大的電流等。對于VCC引腳，通常使用旁路電容和去耦電容來穩定電壓，這些電容應盡可能靠近TCA9535放置。在布局層數方面，對于信號布線密度較低的電路板，可以使用兩層板，頂層用于信號路由，底層作為電源和地的分割平面；對于信號布線密度較高的電路板，建議使用四層板，將信號路由在頂層和底層，中間兩層分別作為地平面和電源平面。

七、總結

TCA9535作為一款功能強大的低電壓16位I2C和SMBus低功耗I/O擴展器，具有寬電源電壓范圍、低功耗、中斷輸出等諸多優點，適用于多種應用場景。在實際設計過程中，電子工程師需要充分了解其各項規格、特性和工作模式，嚴格遵循設計要求和布局建議，合理選擇上拉電阻、計算結溫等，以確保器件的正常工作和系統的穩定性。同時，要注意靜電防護，避免器件受到ESD損壞。希望本文能為工程師們在使用TCA9535進行設計時提供有益的幫助。你在實際應用中使用過TCA9535嗎？遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。