TCA39306-Q1 双路双向 I3C、I2C 总线和 SMBus 电压电平转换器：特性、应用与设计要点

在电子工程师的日常工作中，总线和接口的电压电平转换是一个常见且关键的问题。TCA39306-Q1 作为一款针对汽车应用的双路双向电压电平转换器，具有诸多独特的特性和广泛的应用场景。今天，我们就来深入探讨这款器件的相关内容。

文件下载：tca39306-q1.pdf

一、特性与应用

特性概述

TCA39306-Q1 符合面向汽车应用的 AEC-Q100 标准，具备功能安全型设计，可提供用于功能安全系统设计的文档。它与 I3C、I2C、SMBus、PMBus、MDIO、UART、低速 SDIO、GPIO 和其他双信号接口兼容，能实现标准模式、快速模式和快速模式增强版 I2C 与 SMBus 的通信。该器件还支持在多种电压之间进行转换，如 0.9V VREF1 和 1.8V、2.5V、3.3V 或 5V VREF2 等，并且在无方向引脚的情况下提供双向电压转换，开关具有低导通状态电阻，能以最短传播延迟建立连接。

应用场景

其应用范围十分广泛，涵盖了服务器、路由器（电信交换设备）、个人计算机、工业自动化等领域。在混合模式 I2C 应用中，它可作为适用于 SDA 和 SCL 线路的 2 位双向转换器。

二、规格参数

绝对最大额定值与 ESD 等级

TCA39306-Q1 的绝对最大额定值包括 VREF1、VREF2、输入电压范围等参数，超出这些额定值运行可能会对器件造成损坏。其 ESD 等级方面，人体放电模型（HBM）为 ±2000V，充电器件模型（CDM）为 ±1000V。

建议运行条件

建议运行条件规定了输入/输出电压、基准电压、使能输入电压、导通开关电流和环境温度等参数的范围。例如，输入/输出电压范围为 0 - 5.5V，环境温度范围为 -40 - 125°C。

热性能与电气特性

热性能信息给出了结至环境热阻、结至外壳热阻等参数。电气特性则包括输入钳位电压、输入漏电流、阈值电压等多项指标，这些参数在不同的测试条件下有相应的最小值、典型值和最大值。

开关特性

开关特性分为下行转换和上行转换，以及综合的开关特性。不同的测试条件下，如不同的电压、负载电容等，低电平到高电平传播延迟和高电平到低电平传播延迟会有所不同。这些特性对于评估器件在不同应用场景下的性能至关重要。

三、详细说明

概述与工作原理

TCA39306-Q1 采用使能（EN）输入，当 EN 为高电平时，转换器开关打开，实现端口间的双向数据流；当 EN 为低电平时，开关关闭，端口之间存在高阻态。它还可用于将更高速度的总线与更低速度的总线隔离，通过控制 EN 引脚来断开较慢总线的连接。

阈值电压与器件设置

文档中定义了阈值电压 Vth，室温下约为 0.6V。正确的器件设置要求使能引脚和 VREF2 短接在一起并连接至一个 200kΩ 的电阻器，建立等于 VREF1 加上 FET 阈值电压的基准电压，以更有效地传递低电平信号。

应用场景拓展

• 断开目标与主总线连接：在 I2C 总线上有不同速度器件的情况下，可通过控制 TCA39306-Q1 来避免不同速度器件之间的干扰。
• 支持远程板插入背板：在将具有 I2C 线路的远程板连接到主板时，可先禁用该器件，待远程板通电且总线空闲后再启用，防止数据损坏和总线卡滞。
• 开关配置：当 VREF1 电压等于 VREF2 时，器件可从转换器变为开关器件，传播延迟会因总线两侧的上拉电阻、电容和电压差而有所不同。
• 控制器位置：由于 I2C 和 SMBus 是双向协议，控制器可放置在器件的任一侧。
• LDO 供电问题：VREF1 引脚可由低压降稳压器（LDO）供电，但可能会因偏置电流导致 LDO 失去稳压能力，需要在 VREF1 至接地之间放置弱下拉电阻器。
• VREF2 限流电阻：该电阻用于限制 VREF2 和 VREF1 之间的电流，并有助于在使能引脚上建立基准电压，电阻值的选择需要考虑偏置电流和绝对最大连续通道电流。

四、应用和实施

应用信息与典型应用

在通用 I2C 应用中，需要使用上拉电阻器在转换总线上提供逻辑高电平。典型应用包括开关始终启用和开关使能控制两种电路，设计要求规定了 VREF1、VREF2、EN 等参数的范围。

详细设计过程

• 双向电压转换：EN 输入必须连接到 VREF2，且两个引脚均通过上拉电阻器拉至高侧 VDPU，建议连接 100pF 滤波电容器。
• 确定上拉电阻大小：可参考应用手册 SLVA689 来估算上拉电阻器的取值范围。
• 带宽计算：器件的最大频率取决于应用负载，对于数字应用，频率带宽应至少是最大数字时钟速率的五倍。可通过公式计算最大实际频率分量或拐点频率。

I3C 使用注意事项

由于 I3C 同时使用推挽和开漏，对于基于 FET 的转换器如 TCA39306-Q1 带来了挑战。在 I3C 总线开关和总线电压转换应用中，需要满足特定的条件，如开关使能电压、上拉电阻的选择等。

电源相关建议与布局

为器件供电时，VREF1 引脚可直接连接至电源，VREF2 引脚必须通过一个 200kΩ 电阻器连接至 VDPU 电源。在 PCB 布局方面，应遵循常见的布局实践，避免信号布线呈直角，100pF 滤波电容应尽可能靠近 VREF2 放置。

五、器件和文档支持

文档更新与支持资源

工程师可以在 ti.com.cn 上的器件产品文件夹中注册接收文档更新通知。TI E2E™ 中文支持论坛是获取快速、经过验证的解答和设计帮助的重要资源。

静电放电警告与术语表

静电放电会损坏集成电路，需要采取适当的预防措施。TI 术语表列出并解释了相关术语、首字母缩略词和定义，方便工程师查阅。

六、总结

TCA39306-Q1 作为一款功能强大的电压电平转换器，在汽车和其他工业应用中具有广泛的应用前景。电子工程师在设计过程中，需要充分了解其特性、规格参数和应用要点，合理进行器件设置和布局，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，要关注文档更新和技术支持，不断提升自己的设计水平。

各位工程师朋友们，在使用 TCA39306-Q1 的过程中，你们遇到过哪些问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。