具有阻塞总线恢复功能的 TCA4307 热插拔 I²C 总线和 SMBus 缓冲器介绍

在电子设计领域，热插拔 I²C 总线缓冲器是实现系统灵活扩展和维护的重要组件。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）推出的 TCA4307 热插拔 I²C 总线和 SMBus 缓冲器。

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一、TCA4307 特性亮点

1. 热插拔与数据保护

TCA4307 支持将 I/O 卡插入带电背板，控制电路会防止背板侧与板卡侧 I²C 线路连接，直到背板出现停止命令或总线空闲，避免板卡上的总线争用，保护数据和时钟线路不受损坏。连接后，它提供双向缓冲，隔离背板及板卡电容，降低相互干扰。

2. 预充电设计

插入过程中，对 SDA 和 SCL 线路预充电至 1V，有效减小对器件寄生电容充电所需电流，减少插入瞬间的电流冲击，提高系统稳定性。

3. 工作参数范围广

支持 I²C 总线信号双向数据传输，工作电源电压范围为 2.3V 至 5.5V，环境空气温度范围为 -40°C 至 125°C，能适应多种复杂的工作环境。

4. 自动总线恢复

具备阻塞总线恢复功能，检测到 SDAOUT 或 SCLOUT 处于低电平约 40ms 时，自动断开总线，并在 SCLOUT 上自动生成多达 16 个脉冲，尝试复位使总线保持低电平的器件，恢复总线正常工作。

5. 低功耗模式

I²C 总线空闲时，将 EN 引脚设置为低电平可使 TCA4307 进入关断模式，降低功耗；EN 拉高时恢复正常运行。同时，开漏 READY 输出引脚可指示背板与板卡侧的连接状态。

二、TCA4307 应用场景

TCA4307 的应用十分广泛，常见于服务器、企业交换、电信交换设备、基站以及工业自动化设备等领域。在这些场景中，热插拔功能可实现设备的在线维护和升级，提高系统的可用性和灵活性。

三、TCA4307 详细规格

1. 封装信息

TCA4307 有两种封装可供选择：VSSOP(DGK,8)，尺寸为 3mmx4.9mm；WSON(DRG,8)，尺寸为 3mm x3mm。不同的封装适用于不同的 PCB 布局和空间要求。

2. 电气特性

• 绝对最大额定值：规定了器件在不被损坏的情况下所能承受的最大电压、电流和温度等参数。例如，输入电压范围为 -0.5V 至 7V，连续输出电流为 ±50mA 等。超出这些范围可能导致器件永久性损坏。
• ESD ratings：人体模型（HBM）静电放电耐压为 ±3500V，带电设备模型（CDM）为 ±1000V，显示出较好的静电防护能力。
• 推荐工作条件：工作电源电压 2.3V 至 5.5V，输入输出电压范围 0 至 5.5V，环境温度 -40°C 至 125°C，在这些条件下使用可确保器件性能稳定。
• 热信息：不同封装的热阻参数不同，如 VSSOP 封装的结到环境热阻为 177.1°C/W，WSON 封装为 58.4°C/W。了解热信息有助于进行散热设计，保证器件在正常温度下工作。
• 电气特性：包括电源电流、预充电电压、输入输出偏移电压、引脚泄漏电流等参数。例如，电源电流在 VCC =5.5V 时典型值为 2.5mA，预充电电压为 0.8V 至 1.2V。
• 时序要求：规定了 I²C 总线的时钟频率、总线空闲时间、数据建立和保持时间等时序参数，确保数据传输的准确性和可靠性。
• 开关特性：如预充电时间、数字准备就绪时间、总线空闲到 READY 激活时间等，这些参数影响着器件的启动和响应速度。

四、TCA4307 引脚配置与功能

TCA4307 采用 8 引脚封装，各引脚功能如下：

• EN：高电平有效芯片使能引脚，低电平时器件进入低电流模式，禁用上升时间加速器和总线预充电电路，隔离输入输出线路。
• SCLOUT 和 SCLIN：分别为串行时钟输出和输入引脚，连接到板卡和背板的 SCL 总线。
• SDAOUT 和 SDAIN：分别为串行数据输出和输入引脚，连接到板卡和背板的 SDA 总线。
• GND：电源地。
• READY：开漏输出引脚，指示背板与板卡侧的连接状态，高电平时表示连接，低电平时表示断开。
• VCC：电源引脚，为器件提供工作电压，建议在该引脚附近放置 0.1μF 的旁路电容以提高电源稳定性。

五、TCA4307 功能模式

1. 启动和预充电

上电或热插拔时，器件先处于欠压锁定（UVLO）状态，忽略 SDA 和 SCL 引脚的活动，直到 VCC 高于 UVLO 阈值。ENABLE 引脚置高后，“停止位和总线空闲”检测电路启用，进入总线空闲状态，同时预充电电路将总线引脚偏置到约 1V。

2. 总线空闲

此状态下，预充电电路使 SCL 和 SDA 引脚保持 1V，等待 SDAIN 和 SCLIN 引脚高电平持续总线空闲时间或检测到停止条件，满足条件后连接输入输出线路，进入总线活动状态。

3. 总线活动

I²C 输入输出引脚连接，数据双向传输。总线连接时，驱动低电平的一侧会反映到另一侧，但有小的偏移电压，避免器件陷入低电平状态。若检测到总线阻塞，即使 EN 为高，总线也会断开。

4. 总线阻塞

检测到 SDAOUT 或 SCLOUT 出现阻塞情况，器件断开总线，在 SCLOUT 上生成时钟脉冲尝试恢复总线，释放 SDAOUT 后生成停止条件，然后返回总线空闲状态等待重新连接。

六、TCA4307 应用与设计注意事项

1. 应用信息

通常将 TCA4307 放置在插入或连接到带电总线的卡上，确保总线在空闲或停止条件下才连接，发挥最大效益。

2. 典型应用设计

• 串联连接：多个缓冲器串联时，每个缓冲器会引入约 60mV 的偏移电压，需考虑最大偏移量，避免触发上升时间加速器产生误触发。建议串联数量不超过两个，并减轻负载以减小偏移。同时，要注意串联对往返延迟的影响，可能导致快速模式（400kHz）无法正常工作。
• 多连接到公共节点：多个缓冲器连接到公共节点时，需避免公共节点架构，防止输出电压和偏移电压过高触发上升时间加速器产生干扰。要确保跨接 Vos 电压才能使器件调节另一侧。
• 传播延迟：上升沿延迟由总线电阻的上拉电流、上升时间加速器电流源和线路有效电容共同决定。下降沿延迟受输入电压、输出开启延迟和最大压摆率限制，不会为负。

  3. 详细设计步骤

  系统上拉电阻要足够强，以在 SDA 和 SCL 引脚上提供 1.25V/µs 的正压摆率，激活上升沿时的升压上拉电流。根据公式 $R leq 800 × 10^{3}left(frac{V_{CC(MIN)}-0.6}{C}right)$ 选择最大电阻值，同时根据不同的 VCC 电压选择合适的上拉电阻值。

  4. 电源供应建议

  为使预充电电路有效抑制热插拔对 I²C 总线的影响，VCC 必须在 SCL 和 SDA 引脚接触主 I²C 总线之前施加。可通过物理上使 VCC 和 GND 引脚接触更长来提前施加电压。同时，要确保电源上升和下降速率满足要求。

  5. 布局设计

  PCB 布局时，遵循常见的 PCB 布局原则，避免信号走线直角转弯，信号走线从集成电路附近引出时相互散开，使用较粗的走线传输电源和地电流。旁路和去耦电容应尽量靠近 TCA4307 放置，以稳定 VCC 引脚电压。对于高密度信号布线的 4 层板，可将信号布在顶层和底层，内部层分别作为接地层和电源层。

七、总结

TCA4307 热插拔 I²C 总线和 SMBus 缓冲器凭借其出色的热插拔保护、自动总线恢复、宽工作范围等特性，为电子系统设计提供了可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的设计需求，合理选择封装、配置引脚、考虑应用场景和设计注意事项，以充分发挥 TCA4307 的性能优势。希望本文能为电子工程师在使用 TCA4307 进行设计时提供一些有价值的参考。大家在实际设计中遇到过哪些与热插拔缓冲器相关的问题呢？欢迎在评论区交流分享。