TCAL9539：低电压转换、16 位 I2C 总线、SMBus I/O 扩展器的设计指南

一、引言

在电子设计领域，I/O 扩展器是解决微控制器或处理器 I/O 端口不足问题的常用器件。TI 的 TCAL9539 具有中断输出、复位和配置寄存器等功能，能为两线双向 I2C 总线（或 SMBus）协议提供通用并行输入/输出扩展，本文将深入探讨其特性、应用、设计要点等内容。

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二、TCAL9539 特性剖析

（一）电气特性

1. 宽电压范围与低功耗：工作电源电压范围为 1.08V 至 3.6V，在 1.8mV 时具有 1µA（典型值）的低待机电流消耗，适合多种低功耗应用场景，如电池供电设备，能有效延长设备续航时间。
2. 高速总线支持：支持 100kHz（标准模式）、400kHz（快速模式）和 1MHz（快速 + 模式）的 I2C 时钟频率，满足不同数据传输速率的需求，可应用于对数据传输速度要求较高的系统中。
3. 丰富的寄存器配置：具有输入或输出配置寄存器、极性反转寄存器、可配置 I/O 驱动强度寄存器、上拉电阻和下拉电阻配置寄存器等，为用户提供了灵活的 I/O 端口配置选项，可根据具体应用需求进行定制化设计。

（二）保护特性

1. ESD 保护：ESD 保护性能超过 JESD 22 规范要求，其中人体放电模型（A114 - A）可达 2000V，充电器件模型（C101）可达 1000V，能有效防止静电对器件造成损坏，提高了器件的可靠性和稳定性。
2. 闩锁性能：闩锁性能超过 100mA，符合 JESD 78 II 类规范的要求，增强了器件在复杂电气环境下的抗干扰能力。

三、应用领域广泛

（一）常见应用场景

TCAL9539 可应用于服务器、路由器（电信交换设备）、个人计算机、个人电子产品、工业自动化、游戏机等领域，以及采用 GPIO 受限处理器的产品中。在这些应用中，它能为系统提供额外的 I/O 端口，解决 I/O 资源不足的问题。

（二）典型应用示例

以一个典型应用为例，将其作为 I2C 控制器（处理器）的响应设备，放置在离 GPIO 较近的远程位置，方便对 GPIO 进行监测或控制。在该示例中，可根据需要将部分端口配置为输入，部分端口配置为输出，同时对于可能浮空的输入端口，需添加电阻以确保信号稳定。

四、设计要点详解

（一）电源设计

1. 电源电压范围：推荐的电源电压范围为 1.08V 至 3.6V，在设计电源电路时，需确保电源输出稳定在该范围内，避免因电压波动影响器件正常工作。
2. 电源供电要求：在电源供电过程中，要注意避免电源出现毛刺或数据损坏的情况。当出现此类问题时，可利用电源上电复位功能将 TCAL9539 复位到默认状态。电源上电复位有两种方式，一种是将 $V{CC}$ 降低到 0.2V 或 0V 以下，然后再升高；另一种是将 $V{CC}$ 降低到 POR 阈值以下，然后再升高。同时，要关注电源的下降速率、上升速率、重新上升时间等参数，以及电源毛刺的宽度和高度对器件的影响。

（二）I2C 总线设计

1. 上拉电阻选择：SCL 和 SDA 线的上拉电阻 $R{P}$ 需要根据 $I^{2}C$ 总线上所有响应设备的总电容进行适当选择。最小上拉电阻是 $V{CC}$、$V{OL,(max)}$ 和 $I{OL}$ 的函数，计算公式为 $R{p(min)}=frac{V{CC}-V{OL(max)}}{I{OL}}$；最大上拉电阻是最大上升时间 $t{r}$ 和总线电容 $C{b}$ 的函数，计算公式为 $R{p(max)}=frac{t{r}}{0.8473 × C_{b}}$。对于标准模式或快速模式操作，$I^{2}C$ 总线的最大电容不得超过 400pF；对于快速模式 + 操作，不得超过 550pF。
2. 总线时序要求：不同的 I2C 模式（标准模式、快速模式、快速 + 模式）对时钟频率、时钟高时间、时钟低时间、数据建立时间、数据保持时间等时序参数有不同的要求，在设计时需严格按照这些要求进行电路布局和信号处理，确保数据传输的准确性和稳定性。

（三）布局设计

1. PCB 布局原则：在进行 PCB 布局时，应遵循常见的 PCB 布局原则，如避免信号线出现直角、将信号线从集成电路附近引出时相互分散、增加电源线和地线的宽度以承载更大电流等。同时，为了控制电源引脚的电压，应在靠近 TCAL9539 的位置放置旁路和去耦电容，大电容用于在电源出现短暂毛刺时提供额外的功率，小电容用于过滤高频纹波。
2. 层数选择：对于信号布线密度较低的设计，可采用两层 PCB 进行设计，顶层用于信号布线，底层作为电源和地的分割平面；对于信号布线密度较高的设计，建议采用四层 PCB，将信号布线放在顶层和底层，一个内层作为接地平面，另一个内层作为电源平面。

五、总结与思考

TCAL9539 作为一款功能强大的 I/O 扩展器，具有宽电压范围、低功耗、高速总线支持、丰富的寄存器配置和良好的保护特性等优点，适用于多种应用领域。在设计过程中，需要充分考虑电源设计、I2C 总线设计和布局设计等要点，以确保器件的性能和稳定性。

作为电子工程师，在实际应用中，我们还需要根据具体的项目需求，对 TCAL9539 进行进一步的优化和调整。例如，在低功耗应用中，如何通过合理配置寄存器来降低功耗；在高速数据传输应用中，如何优化 PCB 布局以减少信号干扰等。这些都是我们在实际设计中需要深入思考和解决的问题。希望本文能为大家在使用 TCAL9539 进行设计时提供一些有益的参考。