电子工程师必看：TCA9537 4位I2C和SMBus I/O扩展器深度解析

在电子设计领域，I/O扩展器是实现系统功能扩展的重要组件。今天，我们来深入探讨德州仪器（TI）的TCA9537，一款专为I2C总线设计的4位I/O扩展器，它能为大多数微控制器系列产品提供通用远程I/O扩展，具有诸多出色特性。

文件下载：tca9537.pdf

1. 特性亮点

1.1 宽电压工作范围

TCA9537可在1.65V至5.5V的$V_{CC}$下运行，这使得它能适应多种不同的电源环境，为设计带来了更大的灵活性。同时，其I/O端口可耐受5V电压，增强了器件的可靠性和兼容性。

1.2 丰富的复位机制

它支持通过I2C通用呼叫实现软件复位，还有用于外部复位控制的RESET输入引脚。当发生超时或其他不当操作时，系统处理器可使用I2C软复位命令或RESET引脚将TCA9537复位，确保系统的稳定性。

1.3 高速I2C总线支持

具备1MHz快速+模式I2C总线，能够满足高速数据传输的需求，提高系统的响应速度。

1.4 中断输出功能

开漏中断输出（INT）在任何输入与其对应输入端口寄存器状态不同时被激活，能及时向系统控制器指明输入状态的改变，方便系统进行实时处理。

1.5 完善的寄存器配置

拥有输入和输出配置寄存器、极性反转寄存器，可对I/O进行灵活配置，满足不同的应用需求。加电时所有通道均被配置为输入，系统控制器可通过写入I/O配置寄存器位将I/O启用为输入或输出。

1.6 高驱动能力与ESD保护

具有最大高电流驱动能力的锁存输出，适用于直接驱动LED。ESD保护性能超过JESD 22规范要求，包括2000V人体放电模型（A114 - A）和1000V带电器件模型（C101），有效保护器件免受静电损害。

2. 应用场景广泛

TCA9537的应用场景十分丰富，涵盖个人电子产品、可穿戴设备、手机、游戏机等消费领域，以及服务器、路由器等网络设备领域。在这些应用中，它能够为微控制器提供额外的I/O接口，扩展系统的功能。

3. 规格参数详解

3.1 绝对最大额定值

明确了器件在各种电气参数下的极限值，如电源电流、输入输出电压、结温等。超出这些额定值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。

3.2 ESD等级

不同引脚的ESD等级有所差异，如引脚P0至P3、$V_{CC}$的人体放电模型（HBM）为+4000V，引脚SDA、SCL为+2000V，所有引脚的充电器件模型（CDM）为±1000V。这提示我们在使用和处理器件时要采取适当的防静电措施。

3.3 建议运行条件

给出了器件正常运行时的电源电压、输入电压、输出电流、环境温度和结温等参数范围。在设计中，应确保器件工作在这些建议条件内，以保证其性能和可靠性。

3.4 热性能信息

提供了结至环境热阻、结至外壳热阻、结至电路板热阻等热性能参数，有助于我们在设计散热方案时进行参考，确保器件在合适的温度下工作。

3.5 电气特性

详细列出了器件在不同电源电压和工作模式下的静态电流、输入引脚电容等电气参数。例如，在不同的$V_{CC}$下，静态电流会有所不同，这对于低功耗设计尤为重要。

3.6 时序要求

包括加电至启动条件时间、复位脉冲持续时间、复位恢复时间等。这些时序参数是保证器件正常通信和操作的关键，在设计I2C总线通信时必须严格遵循。

3.7 I2C总线时序要求

针对不同的I2C总线模式（标准模式、快速模式、快速模式+），规定了时钟频率、时钟高电平时间、时钟低电平时间、尖峰时间等时序参数。不同模式下的参数差异，要求我们根据实际应用选择合适的模式，并确保总线通信的稳定性。

3.8 开关特性

涉及中断有效时间、中断复位延迟时间、输出数据有效时间、输入数据设置时间和保持时间等。这些特性对于理解器件的响应速度和数据传输的准确性至关重要。

3.9 典型特性

通过一系列图表展示了不同温度和电源电压下，电源电流、$V{CC}-V{OH}$电压、$V_{OL}$等参数的变化关系。这些典型特性曲线可以帮助我们在不同的工作条件下预估器件的性能。

4. 详细功能剖析

4.1 功能概述

TCA9537由配置、输入端口、输出端口、极性反转等寄存器组成。加电时，I/O被配置为输入，系统控制器可通过写入I/O配置寄存器位将I/O启用为输入或输出。每个输入或输出的数据保存在相应的寄存器中，输入端口寄存器的极性可由极性反转寄存器转换。

4.2 I/O端口

当I/O配置为输入时，FET Q1和Q2处于关闭状态，输入电压可升高到高于$V{CC}$，最大值为5.5V。当配置为输出时，Q1或Q2将被启用，I/O引脚和$V{CC}$或GND之间存在低阻抗路径，此时施加到I/O引脚的外部电压不应超过推荐电压值。

4.3 中断（INT）输出

TCA9537具有专用的INT输出，在输入模式中，端口输入的任何上升沿或下降沿都会生成中断。经过时间$t_{iv}$后，信号INT将有效。当端口上的数据更改为原始设置或从生成中断的端口读取数据时，中断电路将复位。需要注意的是，INT在更改的数据字节发送之前在ACK处复位，可能会导致在ACK时钟脉冲期间发生的中断丢失。

4.4 RESET输入

可使RESET输入有效以复位系统，将$RESET$引脚保持在低电平至少$t{W}$，可实现复位。当$RESET$为低电平时，TCA9537寄存器和I2C/SMBus状态机均更改为其默认状态；当$RESET$为高电平时，可从外部或通过控制器更改P端口的I/O电平。如果未使用有效连接，该输入需要将一个上拉电阻器连接到$V{CC}$。

5. 编程与寄存器映射

5.1 $I^{2}C$接口

TCA9537具有标准双向I2C接口，由串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线组成。SDA和SCL线都必须通过上拉电阻器连接至$V_{CC}$，上拉电阻器的阻值由$I^{2}C$线上的电容值决定。数据传输只能在总线处于空闲状态时启动。

5.1.1 写入操作

控制器在总线上发送启动条件，带有目标器件地址以及设置为0的最后一位（R/$bar{W}$位），表示写入操作。目标器件确认后，控制器发送要执行写入操作寄存器的寄存器地址，再次确认后，开始发送寄存器数据，最后以停止条件终止传输。

5.1.2 读取操作

总线控制器首先发送TCA9537地址，并将LSB设置为逻辑0，随后发送命令字节决定要访问的寄存器。重新启动后，再次发送器件地址，但将LSB设置为逻辑1，然后由TCA9537发送命令字节所定义的寄存器中的数据。

5.2 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，指示所有支持该命令的器件复位为上电值。具体步骤包括发送启动条件、使用通用广播I2C总线地址、发送特定数据字节等，成功完成这些步骤后，器件执行复位，将所有寄存器值恢复为上电默认值。

5.3 寄存器映射

5.3.1 器件地址

TCA9537具有7位固定地址，I2C使用7位地址，其中一位用作LSB的READ/WRITE位。

5.3.2 控制寄存器和命令字节

总线控制器通过发送命令字节来指定操作（读取或写入）以及受影响的内部寄存器。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、极性反转寄存器和配置寄存器。

5.3.3 寄存器说明

• 输入端口寄存器：反映引脚的输入逻辑电平，只作用于读取操作，写入无影响。
• 输出端口寄存器：显示由配置寄存器定义为输出的引脚的输出逻辑电平，读取的值反映控制输出选择的触发器中的值。
• 极性反转寄存器：允许对配置为输入的引脚进行极性反转。
• 配置寄存器：配置I/O引脚的方向，位值为1时，相应端口引脚被启用为输入；位值为0时，启用为输出。

6. 应用设计要点

6.1 典型应用示例

在一个典型应用中，P0、P2和P3可配置为输出，P1配置为输入，用于处理中断输入以及输出多个控制信号。

6.2 设计要求

6.2.1 减小$I_{cc}$

当使用I/O控制LED时，为了减少电流消耗，可考虑在LED熄灭时使I/O引脚保持在高于或等于$V_{CC}$的状态。可以采用与LED并联高阻值电阻器或使用较低电压供电的器件等方法。

6.2.2 上拉电阻器选择

为SCL和SDA线选择适当的上拉电阻器$R{P}$，需要考虑$I^{2}C$总线上所有从器件的总电容。最小上拉电阻是$V{CC}$、$V{OL,(max)}$和$I{OL}$的函数，最大上拉电阻是最大上升时间和总线电容的函数。对于标准模式或快速模式运行，$I^{2}C$总线的最大总线电容不得超过400pF。

7. 电源与布局建议

7.1 上电复位

如果发生干扰或数据损坏，可使用上电复位功能将TCA9537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。在进行上电复位时，需要注意电源的下降速率、上升速率、重新上升时间等参数，以及干扰对复位性能的影响。

7.2 布局指南

在进行TCA9537的印刷电路板（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TCA9537放置，以控制$V_{CC}$引脚上的电压。对于信号布线密度大的电路板，建议使用4层电路板，合理分配信号层、接地平面和电源平面。

8. 器件与文档支持

8.1 文档支持

TI提供了一系列相关文档，如I2C总线上拉电阻器计算、I2C总线在采用中继器时的最高时钟频率、逻辑器件简介、了解I2C总线等。这些文档对于深入理解和使用TCA9537非常有帮助。

8.2 接收文档更新通知

可以通过导航至ti.com上的器件产品文件夹，点击“订阅更新”进行注册，每周接收产品信息更改摘要。

8.3 支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、经过验证的解答和设计帮助的重要平台。在论坛上，我们可以搜索现有解答或提出自己的问题，获得所需的设计帮助。

总之，TCA9537作为一款功能强大的I/O扩展器，在电子设计中具有广泛的应用前景。通过深入了解其特性、规格、功能和应用设计要点，我们能够更好地发挥其优势，为电子系统的设计和开发提供有力支持。希望本文能为电子工程师们在使用TCA9537时提供有价值的参考。你在使用TCA9537的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。