TCA9539A-Q1汽车类I/O扩展器：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，I/O扩展器是解决微控制器I/O端口不足问题的常用器件。今天，我们要深入探讨的是德州仪器（TI）推出的TCA9539A-Q1汽车类低压16位I2C和SMBus低功耗I/O扩展器，它在汽车及工业等多个领域都有着广泛的应用前景。

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一、TCA9539A-Q1的特性亮点

1. 汽车级标准与功能安全

TCA9539A-Q1符合面向汽车应用的AEC-Q100标准，温度等级1为 -40°C至 +125°C，具备功能安全特性，还可提供用于功能安全系统设计的文档，这使得它在汽车电子的严苛环境中能够稳定可靠地工作。

2. 丰富的接口与控制特性

• I2C至并行端口扩展：为两线双向I2C总线（或SMBus协议）提供16位通用并行输入和输出（I/O）扩展，支持100kHz（I²C标准模式）和400kHz（I2C快速模式）时钟频率，可与大多数微控制器兼容。
• 中断与复位功能：开漏电路低电平有效中断输出（INT），当输入端口状态改变时，可及时向系统控制器发出信号；低电平有效复位输入（RESET），方便在发生超时或其他不当操作时对器件进行复位。
• 耐压与极性反转：5V耐压输入和输出端口，增强了器件的适应性；极性反转寄存器可灵活调整输入端口寄存器的极性。

3. 良好的电气性能

• 低功耗设计：内部上电复位，加电时无干扰，在不同工作模式下都能保持较低的功耗。
• 高可靠性：闩锁性能超过100mA，符合JESD 78 II类规范要求；ESD保护性能超过JESD 22规范要求，人体放电模型（A114 - A）为2000V，充电器件模型（C101）为1000V。

二、应用领域广泛

1. 汽车领域

在汽车信息娱乐系统、高级驾驶辅助系统（ADAS）、汽车车身电子装置、混合动力汽车（HEV）、电动车（EV）和动力总成等方面都有应用。例如，可用于控制LED指示灯、读取传感器数据、控制其他器件的使能或复位信号等。

2. 工业领域

适用于工业自动化、工厂自动化、楼宇自动化、测试与测量、电子销售点终端（EPOS）等场景，为工业设备提供额外的I/O扩展功能。

三、引脚配置与功能解析

TCA9539A-Q1采用24引脚TSSOP封装，各引脚功能明确。其中，INT引脚为中断开漏输出，需通过上拉电阻器连接到Vcc；A0和A1为地址输入引脚，可直接连接至Vcc或接地，最多允许四个器件位于同一I2C总线上；RESET引脚为低电平有效复位输入，若未使用有源连接，需通过上拉电阻器连接到Vcc；P00 - P07和P10 - P17为P端口输入 - 输出引脚，上电时默认配置为输入。

四、规格参数详析

1. 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全运行至关重要。例如，电源电压（Vcc）的范围为 -0.5V至6V，输入电压（V1）和输出电压（Vo）同样为 -0.5V至6V。在绝对最大额定值范围外运行可能会对器件造成永久损坏，因此在设计时必须严格遵守。

2. ESD等级

该器件的ESD等级表现出色，人体放电模型（HBM）为 ±2000V，充电器件模型（CDM）为 ±1000V，这有助于提高器件在实际应用中的抗静电能力。

3. 建议运行条件

建议运行条件规定了器件正常工作的参数范围。例如，电源电压（Vcc）建议在1.65V至5.5V之间，不同引脚的输入输出电压、电流等也都有相应的建议值。在设计时，应尽量使器件工作在建议运行条件范围内，以保证其性能和可靠性。

4. 热性能信息

热性能信息包括结至环境热阻（RθJA）、结至外壳（顶部）热阻（RθJC(top)）、结至电路板热阻（RθJB）等参数。在设计散热方案时，这些参数是重要的参考依据。

5. 电气特性

电气特性涵盖了输入二极管钳位电压、上电复位电压、P端口高电平输出电压、低电平输出电流等多个方面。这些参数反映了器件在不同工作条件下的电气性能，对于电路设计和性能评估具有重要意义。

6. I2C接口时序要求

I2C接口时序要求规定了I2C总线在标准模式和快速模式下的时钟频率、时钟高电平时间、时钟低电平时间等参数。严格遵守这些时序要求，才能确保I2C通信的正常进行。

7. 复位时序要求

复位时序要求明确了复位脉冲持续时间、复位恢复时间等参数，在进行器件复位操作时，必须满足这些时序要求。

8. 开关特性

开关特性包括中断有效时间、中断复位延时时间、输出数据有效时间等参数，这些参数对于理解器件的响应速度和信号传输特性非常重要。

9. 典型特性

典型特性通过一系列图表展示了不同电源电压、温度等条件下，电源电流、待机电源电流、I/O灌电流与输出低电压、I/O拉电流与输出高电压等参数之间的关系。这些图表为工程师在实际设计中进行性能评估和参数优化提供了直观的参考。

五、详细设计要点

1. 编程与寄存器映射

TCA9539A-Q1具有标准双向I2C接口，通过I2C总线可对其内部寄存器进行配置和读取。器件地址由硬件引脚A0和A1决定，目标地址的最后一位定义了要执行的操作（读取或写入）。控制寄存器和命令字节用于指定操作以及受影响的内部寄存器，如输入端口、输出端口、极性反转端口和配置端口等。

2. 应用设计

上拉电阻器选择

在设计I2C总线时，需要为SCL和SDA线选择适当的上拉电阻器（Rp）。最小上拉电阻值与Vcc、VOL(max)和IOL有关，最大上拉电阻值与最大上升时间（tr）和总线电容（Cb）有关。对于标准模式或快速模式运行，I2C总线的最大总线电容不得超过400pF。

结温和功率耗散计算

为确保器件安全运行，必须计算结温。结温的基本公式为 $T{j}=T{A}+(theta{JA} × P{d})$，其中 $theta{JA}$ 是封装的标准结至环境热阻测量值，$P{d}$ 是器件的总功率耗散。功率耗散的近似值可通过静态功率加上每个端口耗散的功率之和来计算。

降低Icc的方法

当I/O用于控制LED时，为减少电池供电应用中的电流消耗，可采用与LED并联高阻值电阻器或使VCC比LED电源电压低至少1.2V的方法，将I/O VCC保持在等于或高于VCC。

3. 布局设计

在印刷电路板（PCB）布局时，应遵循常见的PCB布局实践。避免信号布线呈直角，让信号布线呈扇形彼此散开，使用较粗的布线承载大电流。旁路电容器和去耦电容器应尽可能靠近TCA9539A-Q1放置，以控制VCC引脚上的电压。对于信号布线密度较大的电路板，建议使用4层电路板，合理分配信号层、电源层和接地层。

六、总结

TCA9539A-Q1汽车类I/O扩展器凭借其丰富的特性、广泛的应用领域和良好的电气性能，为电子工程师在汽车和工业等领域的设计提供了可靠的解决方案。在实际设计过程中，我们需要深入理解其规格参数和设计要点，合理选择器件参数、优化电路设计和布局，以确保系统的性能和可靠性。同时，德州仪器提供了丰富的文档支持和技术论坛，为工程师解决设计过程中遇到的问题提供了有力的帮助。

大家在使用TCA9539A-Q1进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。