TCAL6416：16位转换I2C总线、SMBus I/O扩展器的全方位解析

在电子设计领域，I/O扩展器是解决GPIO受限问题的重要工具。TI的TCAL6416作为一款具有中断输出、复位和敏捷I/O配置寄存器的16位转换I2C总线、SMBus I/O扩展器，凭借其丰富的特性和广泛的应用场景，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入探讨一下TCAL6416的相关特性、应用以及设计要点。

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特性亮点

宽电压范围与低功耗

TCAL6416的工作电源电压范围为1.08V至3.6V，支持1.2V、1.8V、2.5V和3.3V I2C总线和P端口之间进行双向电压电平转换和GPIO扩展。这种宽电压范围的支持使得它能够与不同电源电平的设备兼容，为系统设计提供了更大的灵活性。在1.8V时，它具有1µA（典型值）的低待机电流消耗，这对于对功耗敏感的应用来说至关重要，能够有效延长电池供电设备的使用寿命。

丰富的功能寄存器

该器件拥有多种功能寄存器，如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。这些寄存器为工程师提供了强大的配置能力，可以根据具体应用需求灵活调整I/O端口的特性。例如，通过输出驱动强度寄存器，用户可以控制GPIO的驱动电平，每个GPIO都可以独立地配置为四个可能的电流电平之一，从而缓解同步开关噪声（SSN）问题，而无需额外的外部元件。

可靠的保护性能

TCAL6416在ESD保护方面表现出色，其ESD保护性能超过JESD 22规范要求，其中人体放电模型（A114A）达到4000V，充电器件模型（C101）达到1000V。同时，其闩锁性能超过100mA，符合JESD 78 II类规范的要求，能够有效保障器件在复杂环境下的可靠性。

应用场景

TCAL6416的应用场景十分广泛，涵盖了服务器、路由器、个人计算机、个人电子产品、工业自动化、游戏机等多个领域。特别是在采用GPIO受限处理器的产品中，它能够提供简单有效的I/O扩展解决方案。当开关、传感器、按钮、LED、风扇等设备需要额外的I/O时，TCAL6416可以轻松满足需求。

引脚配置与功能

TCAL6416提供了TSSOP (24)、VSSOP (24)和WQFN(24)三种封装形式，不同封装的引脚配置有所差异，但功能基本一致。下面为大家详细介绍各引脚的功能：

• INT：中断输出，通过一个上拉电阻器连接到VCCI或VCCP，当输入端口状态改变时会生成中断信号。
• VCCI：I2C总线的电源电压，直接连接到外部I2C控制器的电源电压。
• RESET：低电平有效复位输入，如果未使用有源连接，则通过上拉电阻器连接到VCCI。
• P00 - P17：P端口输入/输出（推挽式设计结构），上电时配置为输入，可通过寄存器配置为输入或输出。
• ADDR：地址输入，直接连接至VCCP或接地，允许在同一I2C/SMBus总线上支持两个器件。
• SCL：串行时钟总线，通过上拉电阻器连接至VCCI。
• SDA：串行数据总线，通过上拉电阻器连接至VCCI。
• VCCP：P端口的电源电压。

规格参数

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保器件的安全运行至关重要。TCAL6416的电源电压、输入电压、输出电压等参数都有明确的额定范围，超出这些范围运行可能会对器件造成永久损坏。例如，电源电压VccI和VccP的范围为 -0.5V至4V，输入和输出电流也有相应的限制。

ESD等级

该器件的ESD等级在人体放电模型（HBM）下为 +4000V，充电器件模型（CDM）下为 ±1000V，这表明它具有较好的静电防护能力，能够在一定程度上抵御静电干扰。

建议运行条件

为了保证器件的正常运行和性能稳定，建议在特定的条件下使用。例如，电源电压VccI和VccP的范围为1.08V至3.6V，环境温度范围为 -40℃至125℃等。

热性能信息

不同封装的热性能指标有所差异，如结至环境热阻、结至外壳热阻等。在设计散热方案时，需要根据具体的封装形式和应用场景来考虑这些因素。

详细设计要点

电压转换

TCAL6416支持多种I2C总线和P端口的电压供应电平组合，如1.2V与1.8V、2.5V、3.3V的组合等。在设计时，需要根据实际需求选择合适的电压组合，并确保VCCI引脚连接到I2C总线的电源，VCCP引脚连接到P端口的电源。

I/O端口配置

上电时或软件复位调用后，I/O被配置为输入。系统控制器可以通过写入配置寄存器将I/O配置为输入或输出。在配置I/O端口时，需要注意输入或输出数据的保存位置以及极性反转寄存器的使用。

中断输出与复位输入

中断输出（INT）在输入端口状态改变时会生成中断信号，经过时间tiv后有效。复位输入（RESET）可以将器件复位为默认状态，需要将其保持在低电平至少tw。在设计时，需要合理配置中断和复位功能，以确保系统的稳定性和可靠性。

软件复位广播

软件复位广播是I2C总线上的控制器发出的命令，可将器件复位为上电默认状态。在进行软件复位时，需要按照特定的步骤进行操作，包括发送启动条件、通用广播地址、数据字节等。

应用设计

典型应用原理图

在典型应用中，TCAL6416作为目标连接到I2C控制器，位于远离控制器的远程位置，靠近需要监视或控制的GPIO。在设计时，需要根据具体需求配置P端口为输入或输出，并选择合适的上拉电阻器。

上拉电阻器的选择

在选择SCL和SDA线的上拉电阻器Rp时，需要考虑I2C总线上所有目标的总电容。最小上拉电阻是VCCI、VOL,(max)和IOL的函数，最大上拉电阻是最大上升时间tr和总线电容Cb的函数。对于不同的运行模式，I2C总线的最大总线电容也有所不同。

电源相关建议

电源中的干扰会影响器件的上电复位性能，因此需要合理设计电源时序和斜坡速率。在进行上电复位时，需要将VCCP降至低于POR阈值，然后重新斜升。同时，需要考虑旁路电容、源阻抗和器件阻抗等因素对上电复位性能的影响。

布局指南

在PCB布局时，为了确保器件可靠性，需要遵循一些常见的布局布线做法。例如，避免信号布线呈直角，使用较粗的布线来承载大电流，旁路电容器和去耦电容器应尽可能靠近TCAL6416。对于信号布线密度较大的电路板，建议使用4层电路板。

总结

TCAL6416作为一款功能强大的I/O扩展器，具有宽电压范围、低功耗、丰富的功能寄存器等优点，适用于多种应用场景。在设计过程中，需要充分了解其特性、引脚配置、规格参数等信息，并根据具体需求进行合理的设计和布局。希望本文能够为电子工程师在使用TCAL6416进行设计时提供一些参考和帮助。如果你在设计过程中遇到任何问题，欢迎在评论区留言交流。