TCA9517：I²C和SMBus系统的双向缓冲器

在电子设计中，I²C和SMBus系统的扩展与电压转换是常见需求。TI的TCA9517作为一款具备电平转换能力的双向缓冲器，为这类应用提供了有效的解决方案。今天就来详细聊聊TCA9517这个器件。

文件下载：tca9517.pdf

一、器件概述

TCA9517主要用于I²C和SMBus系统，它能在混合模式应用中，实现低电压（低至0.9V）和较高电压（2.7V - 5.5V）之间的双向电压电平转换（上转换/下转换）。这意味着在进行电平转换时，I²C和SMBus系统的性能不会下降，依然可以稳定扩展。该器件能缓冲I²C总线上的串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）信号，允许在I²C应用中连接两个总线电容高达400pF的总线。

二、关键特性

（一）双通道双向缓冲

TCA9517是一个双通道双向缓冲器，具备电平转换能力，这使得它在不同电压域之间的数据传输更加灵活。

（二）高电平有效使能输入

它有一个高电平有效（EN）的使能输入，内部上拉至VCCB。用户可以通过这个输入选择中继器何时处于激活状态，比如在电源复位时隔离表现不佳的从设备。不过要注意，EN输入状态的改变应在全局总线和中继器端口处于空闲状态时进行，以防止系统故障。

（三）B侧VOL偏移电压

B侧驱动器的工作电压范围是2.7V - 5.5V，内部缓冲器的输出低电平约为0.5V，但当内部输出为低电平时，输入电压必须比输出低电平低70mV或更多。这种设计产生的较高电压低信号被称为缓冲低电平，它能防止在输入低电平条件释放时出现锁定情况，同时也决定了两个B侧端口不能相互连接。

（四）标准模式和快速模式支持

TCA9517支持标准模式和快速模式的I²C，不过系统的最大工作频率会受到系统设计和中继器引入的延迟影响。

（五）时钟拉伸支持

该器件可以支持时钟拉伸，但需要注意尽量减少从设备和主设备交接过程中出现的过冲电压，可通过增加上拉电阻值来实现。

三、应用场景

（一）服务器和路由器

在服务器和电信交换设备（路由器）中，往往存在许多I²C从设备和较长的PCB走线，TCA9517可以有效扩展I²C和SMBus系统，保证信号传输的稳定性。

（二）工业设备

工业设备对稳定性和可靠性要求较高，TCA9517的电平转换和缓冲功能能够满足工业设备中不同电压域之间的通信需求。

四、电气参数

（一）绝对最大额定值

在使用TCA9517时，要注意其绝对最大额定值，如VCCB和VCCA的电源电压范围为 -0.5V - 7V，超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

（二）ESD额定值

该器件具有一定的ESD保护能力，人体模型（HBM）可达 +5500V，带电设备模型（CDM）可达 +1000V，机器模型（A115 - A）可达 +200V。但在存储和处理时，仍需采取防静电措施，如将引脚短路或放置在导电泡沫中。

（三）推荐工作条件

推荐的工作条件包括A侧总线电源电压范围为0.9V - 5.5V，B侧总线电源电压范围为2.7V - 5.5V，以及不同引脚的高低电平输入电压范围等。在设计时，应确保器件在这些条件下工作，以保证其性能和可靠性。

五、设计要点

（一）电源供应

VCCB和VCCA在加电时可以按任意顺序施加。TCA9517包含一个上电电路，在VCCB高于2.5V且VCCA高于0.8V之前，输出驱动器会保持关闭状态。TI建议使用一个约100nF的去耦电容，并将其靠近VCCA和VCCB引脚放置。

（二）布局设计

虽然TCA9517没有特殊的布局要求，但去耦电容应尽可能靠近VCC引脚放置。同时，可参考文档中提供的布局示例进行设计。

（三）时钟拉伸和VILC及上拉电阻选型

在支持时钟拉伸时，要通过增加上拉电阻值来减少过冲电压。为了使TCA9517正常工作，B侧所有设备必须能够将B侧电压拉到低于电压输入低电平竞争水平（VILC），即B侧任何设备的VOL必须低于0.4V，这可以通过改变上拉电阻值来调整。

六、总结

TCA9517是一款功能强大的I²C和SMBus系统双向缓冲器，其电平转换能力、多种特性和广泛的应用场景使其成为电子工程师在设计相关系统时的一个不错选择。在使用过程中，我们需要充分了解其电气参数和设计要点，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在实际设计中有没有遇到过类似器件应用的问题呢？欢迎在评论区交流分享。