TCA6424A：低电压24位I²C和SMBus I/O扩展器的深度解析

在电子设计领域，I/O扩展器是一种常见且重要的组件，它能为微控制器提供更多的通用输入输出接口。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的TCA6424A这款低电压24位I²C和SMBus I/O扩展器。

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1. 产品概述

TCA6424A专为大多数微控制器家族提供通用远程I/O扩展，通过I²C接口（串行时钟SCL和串行数据SDA）实现。其工作电源电压范围为1.65V至5.5V，能适应多种不同的电源环境。它允许在不同电压电平之间进行双向电压电平转换和GPIO扩展，比如在1.8V、2.5V、3.3V或5V的SCL/SDA与P端口之间。

2. 产品特性亮点

2.1 宽电压范围

TCA6424A的一大显著优势就是其宽泛的VCC范围，P端口侧和SDA/SCL侧均可在1.65V至5.5V的电压下工作。这使得它能够与下一代微处理器和微控制器接口，同时还能兼容一些仍使用5V电源的PCB组件，如LED。

2.2 低功耗

该器件的待机电流消耗极低，仅为1μA，这对于需要低功耗设计的应用场景非常友好，能有效延长设备的续航时间。

2.3 施密特触发器

在SCL和SDA输入处采用了施密特触发器，允许缓慢的输入转换，并能提供更好的开关噪声抗扰性。不同电压下的迟滞电压（Vhys）也有所不同，例如在1.8V时为0.18V（典型值），在2.5V时为0.25V（典型值）等。

2.4 多种保护机制

具备5V容忍I/O端口、有源低电平复位输入（RESET）和开漏有源低电平中断输出（INT）。ESD保护超过了JESD 22标准，人体模型（HBM）可达2000V，带电设备模型（CDM）可达1000V，能有效防止静电放电对器件造成损坏。

3. 内部结构与工作原理

3.1 寄存器设置

TCA6424A包含三个8位的配置、输入、输出和极性反转（高电平有效）寄存器。上电时，I/O被配置为输入，但系统控制器可以通过写入I/O配置位将I/O启用为输入或输出。每个输入或输出的数据存储在相应的输入或输出寄存器中，输入端口寄存器的极性可以通过极性反转寄存器进行反转。

3.2 复位机制

系统控制器可以在超时或其他不当操作时，通过在RESET输入处施加低电平来复位TCA6424A。上电复位会将寄存器置于默认状态，并初始化I²C/SMBus状态机。RESET引脚也能实现相同的复位/初始化，而无需对器件进行断电操作。

3.3 中断输出

当任何输入状态与其对应的输入端口寄存器状态不同时，TCA6424A的开漏中断（INT）输出将被激活，用于向系统控制器指示输入状态已发生变化。INT可以连接到微控制器的中断输入，这样远程I/O就可以在不通过I²C总线通信的情况下，通知微控制器其端口上是否有输入数据。

4. 引脚配置与功能

TCA6424A采用RGJ（UQFN）32引脚封装。各引脚功能如下：	PIN NO.	NAME	DESCRIPTION
1 - 24	P00 - P27	P端口输入/输出（推挽设计结构），上电时配置为输入
25	GND	接地
26	ADDR	地址输入，直接连接到Vccp或地
27	Vccp	P端口的TCA6424A电源电压
28	RESET	有源低电平复位输入，若未使用有源连接，需通过上拉电阻连接到Vcc
29	SCL	串行时钟总线，通过上拉电阻连接到Vcci
30	SDA	串行数据总线，通过上拉电阻连接到Vcci
31	VccI	I²C总线的电源电压，直接连接到外部I²C控制器的Vcc，提供电压电平转换
32	INT	中断输出，通过上拉电阻连接到Vcc

5. 电气特性与性能参数

5.1 绝对最大额定值

该器件在不同参数下有明确的绝对最大额定值，如VCCI和VCCP的电源电压范围为 - 0.5V至6.5V，输入和输出电压范围也为 - 0.5V至6.5V等。超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

5.2 ESD额定值

人体模型（HBM）的ESD额定值为0至2kV，带电设备模型（CDM）为0至1kV，这表明该器件具有较好的静电防护能力。

5.3 推荐工作条件

推荐的VCCI和VCCP电源电压范围为1.65V至5.5V，同时对不同引脚的高、低电平输入电压也有相应的要求。在这些条件下工作，能确保器件的性能和稳定性。

5.4 热信息

给出了器件的热阻等热信息，如结到环境的热阻（ReJA）为44.9°C/W等，这对于散热设计非常重要，能帮助工程师合理设计散热方案，确保器件在正常温度范围内工作。

6. 编程与操作

6.1 上电复位

当VCCP从0V上电时，内部上电复位会使TCA6424A保持复位状态，直到VCCP达到VPOR。此时，复位条件解除，寄存器和I²C/SMBus状态机初始化到默认状态。

6.2 复位输入（RESET）

通过将RESET引脚拉低至少tW时间，可以实现系统的初始化，同时保持VCCP在工作电平。当RESET为低电平时，寄存器和状态机恢复到默认状态；当RESET为高电平时，P端口的I/O电平可以通过外部或控制器进行更改。

6.3 中断输出（INT）

在输入模式下，端口输入的任何上升或下降沿都会产生中断。经过时间tiv后，INT信号有效。当端口数据恢复到原始设置或从产生中断的端口读取数据时，中断电路将被复位。

6.4 总线事务

写操作

通过发送设备地址并将最低有效位（LSB）设置为逻辑0，然后发送命令字节来确定要写入的寄存器。一次写传输可以发送任意数量的数据字节，并且可以独立更新每个8位寄存器。

读操作

总线控制器首先发送设备地址，LSB设置为逻辑0，发送命令字节确定要访问的寄存器。重启后，再次发送设备地址，LSB设置为逻辑1，TCA6424A将发送相应寄存器的数据。

7. 应用与设计建议

7.1 典型应用

TCA6424A可用于多种应用场景，例如在一个典型应用中，可将其设备地址配置为0100000，部分引脚配置为输入，部分引脚配置为输出。对于可能浮空的输入，需要添加电阻；而输出则不需要上拉电阻。

7.2 低功耗设计

当I/O用于控制LED时，为了最小化ICC，可以采用一些设计方法。例如，在LED上并联一个高值电阻，或者使VCC低于LED电源电压至少1.2V，以确保在LED关闭时I/O的VIN保持在VCC或以上，从而避免额外的电源电流消耗。

7.3 电源供应建议

为了防止SDA可能被卡住为低电平，建议在VCCI之前对VCCP进行升压。同时，要注意电源供应中的毛刺和数据损坏问题，不同类型的上电复位有不同的性能要求，如下降速率、上升速率、重新升压时间等。

总结

TCA6424A是一款功能强大、性能稳定的低电压24位I²C和SMBus I/O扩展器。它的宽电压范围、低功耗、多种保护机制以及灵活的编程方式，使其适用于各种不同的电子应用场景。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理配置引脚、设置寄存器，并注意电源供应和散热等问题，以充分发挥该器件的优势。

你在使用TCA6424A的过程中遇到过哪些问题呢？或者对于它的应用还有哪些疑问？欢迎在评论区留言讨论。