汽车级SPI总线I/O扩展器TXE81XX-Q1：特性、应用与设计指南

在汽车电子系统日益复杂的今天，对于I/O端口数量和功能的需求也在不断增加。TXE81XX-Q1系列汽车级16位和24位SPI总线I/O扩展器，为解决这一问题提供了有效的解决方案。本文将详细介绍TXE81XX-Q1的特性、应用场景以及设计要点，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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一、TXE81XX-Q1的特性

1. 电气特性与性能

• 宽电压范围：TXE81XX-Q1可在1.65V至5.5V的VCC电压范围内工作，并且在不同电压下支持不同的SPI时钟频率。在3.3V至5.5V电压下支持10MHz，在1.65V至5.5V电压下支持5MHz，这使得它能够适应多种不同的电源环境。
• 低功耗：具有2.3µA（典型值）的低待机电流消耗，有助于降低系统的整体功耗，提高能源效率。
• 高可靠性：符合面向汽车应用的AEC-Q100标准，温度等级1为 -40°C至 +125°C，TA功能安全型，可提供用于功能安全系统设计的文档，同时具有5V耐压输入和输出端口，内置失效防护I/O功能，能够有效提高系统的可靠性和稳定性。

2. 功能特性

• 中断输出与复位输入：开漏低电平有效中断输出（INT），当任何输入状态与其对应的输入端口寄存器状态不同时，INT输出会被激活，用于向系统控制器指示输入状态已更改。低电平有效复位输入（RESET），可将器件重置为默认状态。
• 可配置I/O功能：GPIO的所有输入端都支持单独的I/O控制和干扰滤波器，可配置I/O特性和寄存器包括使能或禁用上拉和下拉电阻器、可锁存输入、可屏蔽中断、中断状态寄存器，以及单个可编程开漏或推挽输出等，增加了系统的灵活性和可扩展性。
• 其他功能：支持SPI菊花链、I/O读取突发模式、I/O极性反转，以及用于保持最后一个I/O状态的总线保持功能，具有高电流驱动能力的锁存输出，可直接驱动LED。

二、应用场景

TXE81XX-Q1适用于多种汽车电子应用场景，主要包括：

• 汽车信息娱乐系统与仪表组：在这些系统中，需要大量的I/O端口来连接各种传感器、开关、显示屏等设备，TXE81XX-Q1可以提供额外的I/O端口，满足系统对I/O数量的需求。
• 车身电子装置和照明：如车门控制、灯光控制等，TXE81XX-Q1的高可靠性和可配置I/O功能可以确保系统的稳定运行。
• 混合动力、电动和动力总成系统：在这些对安全性和可靠性要求较高的系统中，TXE81XX-Q1的AEC-Q100标准和失效防护功能可以为系统提供可靠的保障。
• 采用GPIO受限处理器的产品：当处理器的GPIO端口数量不足时，TXE81XX-Q1可以作为I/O扩展器，为系统提供更多的I/O资源。

三、设计要点

1. 引脚配置与功能

TXE81XX-Q1有不同的封装形式，如VSSOP和VQFN，不同封装的引脚配置和功能有所不同。在设计时，需要根据具体的应用需求选择合适的封装，并正确连接各个引脚。例如，RESET引脚用于复位器件，INT引脚用于输出中断信号，SDI、SDO和SCLK引脚用于SPI通信等。

2. 规格参数

• 绝对最大额定值：在设计时，需要确保器件的工作条件不超过绝对最大额定值，否则可能会对器件造成永久损坏。例如，VCC电源电压的绝对最大额定值为 -0.5V至6.5V，结温的绝对最大额定值为 -40°C至150°C等。
• ESD等级：该器件具有良好的ESD防护能力，人体放电模型（HBM）符合AEC Q100-002标准，所有引脚的ESD等级为 ±2000V；充电器件模型（CDM）符合AEC Q100-011标准，所有引脚的ESD等级为 ±1000V。在设计时，需要采取适当的ESD防护措施，以确保器件的可靠性。
• 建议运行条件：为了保证器件的正常工作，需要在建议运行条件下使用。例如，VCC电源电压的建议运行范围为1.65V至5.5V，环境温度的建议运行范围为 -40°C至130°C等。

3. 时序要求

TXE81XX-Q1的SPI总线时序要求较为严格，在设计时需要确保SPI时钟频率、数据建立时间、数据保持时间等时序参数符合要求。例如，在3.3V至5.5V电压下，SPI时钟频率（fsCLK）最大为10MHz；CS到SCLK上升建立时间（tcss）最小为50ns等。

4. 电源相关建议

• 上电复位要求：如果发生干扰或数据损坏，可以使用上电复位功能将TXE81XX-Q1复位为默认状态。上电复位要求器件经过下电上电后才能完全复位，当器件在应用中首次上电时，也会发生此复位。
• 布局：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，在离开集成电路（IC）附近时让信号布线呈扇形彼此散开，并使用较粗的布线来承载通常会经过电源和接地布线的更大的电流。旁路电容器和去耦电容器应尽可能靠近TXE81XX-Q1，以控制电源引脚上的电压。

四、编程与寄存器配置

1. SPI接口

TXE81XX-Q1采用SPI接口设置器件配置、运行参数和读取诊断信息。SPI协议使用三个输入和一个输出：串行时钟（SCLK）、低电平有效芯片选择（$overline{CS}$）、串行数据输入（SDI）和串行数据输出（SDO）。在时钟脉冲和数据进入器件之前，必须将$overline{CS}$驱动为低电平，当$overline{CS}$为高电平时，器件将忽略SCLK和SDI上的所有活动。

2. 寄存器映射

TXE81XX-Q1有多个寄存器，用于配置和控制I/O端口的各种功能。例如，输入端口寄存器用于反映IO引脚的输入逻辑电平，输出端口寄存器用于显示由方向配置寄存器定义为输出的IO引脚的输出逻辑电平，方向配置寄存器用于配置I/O引脚的方向等。在编程时，需要根据具体的应用需求正确配置这些寄存器。

五、总结

TXE81XX-Q1汽车级SPI总线I/O扩展器具有宽电压范围、低功耗、高可靠性、丰富的功能特性等优点，适用于多种汽车电子应用场景。在设计时，需要注意引脚配置、规格参数、时序要求、电源相关建议以及编程与寄存器配置等方面的问题，以确保系统的正常运行和可靠性。电子工程师们可以根据实际需求，充分发挥TXE81XX-Q1的优势，设计出更加高效、可靠的汽车电子系统。

大家在使用TXE81XX-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。