TCAL9539-Q1：汽车级低电压16位I²C总线I/O扩展器的深度解析

在电子设计领域，I/O扩展器是实现系统功能扩展和优化的关键组件。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的TCAL9539-Q1，一款专为汽车应用设计的低电压16位I²C总线、SMBus I/O扩展器，它具备中断输出、复位和配置寄存器等丰富功能。

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1. 特性亮点

1.1 汽车级认证与安全特性

TCAL9539-Q1通过了AEC-Q100汽车应用认证，温度等级为-40°C至+125°C，具备功能安全能力。这意味着它能够在汽车复杂的工作环境中稳定可靠地运行，为汽车电子系统的安全性提供了有力保障。同时，还有相关文档可辅助进行功能安全系统设计，方便工程师进行安全相关的设计和验证。

1.2 宽电压范围与低功耗

该器件的工作电源电压范围为1.08 V至3.6 V，能够适应不同的电源环境。在1.8 V典型情况下，其待机电流消耗仅为1 μA，具有出色的低功耗特性，这对于汽车等对功耗敏感的应用场景非常重要，可以有效延长电池续航时间。

1.3 高速I²C总线支持

支持100-kHz（标准模式）、400-kHz（快速模式）和1-MHz（快速模式+）的I²C时钟频率，能够满足不同数据传输速率的需求。高速的数据传输能力使得它可以快速响应系统的指令和数据请求，提高系统的整体性能。

1.4 Agile I/O端口特性

TCAL9539-Q1拥有Agile I/O端口，具备可编程输出驱动强度、可编程上拉和下拉电阻、可锁存输入、可屏蔽中断、中断状态寄存器以及可编程开漏或推挽输出等功能。这些特性大大增强了I/O端口的灵活性和性能，工程师可以根据具体的应用需求进行灵活配置，优化设计以满足不同的功耗、速度和EMI要求。

1.5 其他特性

还具备有源低电平复位输入（RESET）、开漏有源低电平中断输出（INT）、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、上拉和下拉电阻配置寄存器、内部上电复位等功能。此外，其SCL或SDA输入上的噪声滤波器可以有效减少噪声干扰，提高数据传输的可靠性；锁存输出具有高电流驱动能力，可直接驱动LED。

2. 应用领域

2.1 汽车领域

在汽车信息娱乐和集群系统中，可用于扩展处理器的I/O接口，连接各种传感器、开关和显示设备等，实现对车辆信息的采集和显示。在车身电子和照明系统中，能够控制车灯、门锁、雨刮器等设备的开关和状态监测。此外，在混合动力、电动和动力总成系统中也有广泛应用，可用于监测和控制电机、电池等关键部件的运行状态。

2.2 工业运输领域

在工业运输设备中，如叉车、AGV等，可用于连接各种传感器和执行器，实现对设备的自动化控制和监测。

2.3 其他领域

对于GPIO受限的处理器产品，TCAL9539-Q1可以作为一个简单有效的解决方案，提供额外的I/O接口，扩展系统的功能。

3. 规格参数

3.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值非常重要，它规定了器件能够承受的最大电压、电流和温度等参数。例如，其Vcc的绝对最大额定值为-0.5 V至4 V，输入电压（Vi）和输出电压（Vo）的绝对最大额定值也为-0.5 V至4 V。在设计过程中，必须确保器件的工作条件在这些额定值范围内，否则可能会导致器件永久性损坏。

3.2 ESD额定值

该器件的ESD额定值为人体模型（HBM）±4000 V，带电设备模型（CDM）±1000 V，这表明它具有较好的静电防护能力，能够在一定程度上抵抗静电干扰，提高系统的可靠性。

3.3 推荐工作条件

推荐的工作条件包括电源电压范围为1.08 V至3.6 V，高电平输出电流（IoH）为-10 mA，低电平输出电流（IoL）为25 mA，环境温度范围为-40°C至125°C，结温不超过125°C。在设计时，应尽量使器件在这些推荐条件下工作，以确保其性能和可靠性。

3.4 电气特性

电气特性包括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、低电平输出电压、静态电流、内部上拉电阻、内部下拉电阻、输入引脚电容等参数。这些参数描述了器件在不同工作条件下的电气性能，工程师可以根据这些参数进行电路设计和性能评估。

3.5 时序要求

I²C总线的时序要求对于数据的正确传输至关重要。包括时钟频率、时钟高电平时间、时钟低电平时间、串行数据建立时间、串行数据保持时间等参数。在设计I²C总线电路时，必须严格满足这些时序要求，否则可能会导致数据传输错误。

4. 详细描述

4.1 概述

TCAL9539-Q1的数字核心由8位数据寄存器组成，允许用户配置I/O端口的特性。上电或复位后，I/O端口默认配置为输入，但系统控制器可以通过写入配置寄存器将其配置为输入或输出。输入或输出的数据分别存储在相应的输入端口或输出端口寄存器中，输入端口寄存器的极性可以通过极性反转寄存器进行反转。此外，该器件还具备中断功能，当输入端口状态发生变化时，会在INT引脚产生中断信号，通知系统控制器有输入状态改变。

4.2 功能框图

通过功能框图可以更直观地了解器件的内部结构和工作原理。它展示了各个功能模块之间的连接关系和数据流向，有助于工程师进行系统级的设计和调试。

4.3 特性描述

4.3.1 I/O端口

当I/O端口配置为输入时，形成高阻抗输入，输入电压可最高提升至3.6 V。当配置为输出时，根据输出端口寄存器的状态，Q1或Q2导通，形成低阻抗路径。在使用时，应确保外部施加的电压不超过推荐的工作范围，以保证器件的正常工作。

4.3.2 可调输出驱动强度

输出驱动强度寄存器允许用户独立控制每个GPIO的驱动电流水平，可配置为四种不同的电流级别。通过调整这些寄存器的位，可以改变驱动I/O焊盘的晶体管对数量，从而实现对输出驱动能力的控制。降低输出驱动能力可以减少系统噪声，特别是在同时切换多个输出时，能够有效减轻同时开关噪声（SSN）的影响。

4.3.3 中断输出（INT）

在输入模式下，当端口输入的上升或下降沿触发中断且中断功能未被屏蔽时，会在INT引脚产生中断信号。中断信号在时间tiv后有效，通过将端口数据恢复到原始设置或读取产生中断的端口数据可以复位中断电路。INT输出为开漏结构，需要外接上拉电阻到Vcc，如果不需要中断功能，可将其悬空。

4.3.4 复位输入（RESET）

通过将RESET引脚置为低电平，可以将器件复位到默认状态。复位操作会将寄存器的值恢复到上电默认值，并初始化I²C/SMBus状态机。该输入需要外接上拉电阻到Vcc，如果没有使用主动连接。

4.3.5 软件复位调用

软件复位调用是通过I²C总线发送特定的命令序列来实现的。具体步骤包括发送起始条件、通用调用I²C总线地址“0000 0000”并将R/W位设置为0，发送数据字节0x06，最后发送停止条件。成功完成这些步骤后，器件将执行复位操作，清除所有寄存器的值。

4.4 设备功能模式

4.4.1 上电复位

当电源从0 V施加到Vcc时，内部上电复位会将器件保持在复位状态，直到电源电压达到VPOR。此时，复位条件解除，器件的寄存器和I²C/SMBus状态机初始化到默认状态。

4.5 编程

4.5.1 I²C接口

I²C通信通过发送起始条件、设备地址、命令字节和数据字节来实现。数据传输在时钟脉冲的高电平期间进行，每个字节后面跟随一个ACK位。停止条件用于结束数据传输。在编程时，需要注意满足I²C总线的时序要求，确保数据的正确传输。

4.6 寄存器映射

4.6.1 设备地址

TCAL9539-Q1的地址由硬件引脚A0和A1决定，共有四种不同的地址组合。最后一位用于定义操作（读或写），高电平选择读操作，低电平选择写操作。

4.6.2 控制寄存器和命令字节

控制寄存器用于存储命令字节，命令字节决定了要访问的内部寄存器。不同的命令字节对应不同的寄存器，如输入端口寄存器、输出端口寄存器、极性反转寄存器、配置寄存器等。

4.6.3 寄存器描述

详细描述了各个寄存器的功能和默认值。例如，输入端口寄存器反映了引脚的输入逻辑电平，输出端口寄存器显示了定义为输出的引脚的逻辑电平，极性反转寄存器用于反转输入端口的极性，配置寄存器用于配置I/O引脚的方向等。

4.6.4 总线事务

数据通过写和读命令在控制器和TCAL9539-Q1之间进行交换。写操作时，先发送设备地址并将最低有效位设置为0，然后发送命令字节和数据字节。读操作时，先发送设备地址并将最低有效位设置为0，发送命令字节，然后重新发送设备地址并将最低有效位设置为1，读取寄存器的数据。

5. 应用与实现

5.1 应用信息

TCAL9539-Q1通常作为目标设备连接到I²C控制器（处理器），放置在靠近GPIO的远程位置，方便控制器对I/O进行监测和控制。

5.2 典型应用

给出了一个典型的应用示例，包括设备地址配置、I/O端口配置和电阻选择等。在设计时，需要根据具体的应用需求选择合适的电源电压、输出电流额定值和I²C总线时钟速度。

5.3 详细设计过程

5.3.1 上拉电阻选择

SCL和SDA线的上拉电阻Rp需要根据I²C总线上所有目标设备的总电容进行选择。最小上拉电阻Rp(min)由Vcc、VOL(max)和IOL决定，最大上拉电阻Rp(max)由最大上升时间tr和总线电容Cb决定。在选择上拉电阻时，需要确保总线电容不超过I²C总线的最大允许值。

5.3.2 最小化ICC当I/O控制LED时

当I/O用于控制LED时，为了减少电流消耗，应确保P端口控制LED的电压大于或等于Vcc。可以通过在P端口和Vcc之间连接电阻或采用较低的设备供电电压等方法来实现。

5.4 电源供应建议

5.4.1 上电复位要求

在电源出现毛刺或数据损坏时，可以使用上电复位功能将器件恢复到默认状态。上电复位需要器件经历一次电源循环，有两种类型的上电复位方式，分别是将Vcc降低到0.2 V或0 V然后再升高，以及将Vcc降低到POR阈值以下然后再升高。

5.4.2 电源供应布局

在PCB布局时，应遵循一些常见的布局原则，如避免信号走线出现直角，信号走线离开集成电路时应相互分散，使用较厚的走线宽度来承载较大的电流等。同时，应在靠近器件的位置放置旁路和去耦电容，以控制电源引脚的电压。

6. 设备与文档支持

6.1 文档更新通知

用户可以通过访问ti.com上的设备产品文件夹，点击“订阅更新”来接收文档更新的通知。

6.2 支持资源

TI E2E™支持论坛是获取快速、可靠答案和设计帮助的重要渠道，用户可以在论坛上搜索现有答案或提出自己的问题。

6.3 静电放电注意事项

该集成电路容易受到ESD的损坏，在处理和安装时应采取适当的预防措施，避免因静电放电导致器件性能下降或损坏。

7. 机械、封装与可订购信息

提供了TCAL9539-Q1的机械、封装和可订购信息，包括不同封装类型、引脚数量、包装数量、RoHS合规性、引脚镀层材料、MSL评级和峰值回流温度等。在选择器件时，需要根据具体的应用需求和生产要求选择合适的封装和订购信息。

综上所述，TCAL9539-Q1是一款功能强大、性能可靠的汽车级I/O扩展器，具有丰富的特性和广泛的应用领域。在设计过程中，工程师需要充分了解其规格参数、工作原理和应用要求，合理选择器件和进行电路设计，以确保系统的性能和可靠性。你在使用这款器件的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。