深入解析PCA9306：双路双向I²C和SMBus电压电平转换器

在电子设计领域，I²C和SMBus接口的应用极为广泛，而电压电平转换在不同电压域的设备通信中起着关键作用。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的PCA9306双路双向I²C和SMBus电压电平转换器，了解它的特性、应用以及设计要点。

文件下载：pca9306.pdf

一、PCA9306的特性亮点

1. 高性能电压转换

PCA9306支持1.2V至3.3V的VREF1和1.8V至5.5V的VREF2，可实现1.2V至5V之间的双向电压转换，无需方向引脚。其开关的低导通电阻（RON）使得连接具有极小的传播延迟，最大传播延迟小于1.5ns，能够适应标准模式和快速模式的I²C设备以及多个控制器。

2. 多功能兼容性

该器件与I²C、SMBus、PMBus、MDIO、UART、低速SDIO、GPIO等多种接口兼容，适用于服务器、路由器、个人电脑、工业自动化等众多领域。

3. 安全可靠设计

• 开漏I²C I/O端口（SCL1、SDA1、SCL2和SDA2）具有5V容限，支持混合模式信号操作。
• 当EN为低电平时，SCL1、SDA1、SCL2和SDA2引脚呈高阻抗状态，实现无锁定操作，便于隔离。
• 闩锁性能超过100mA（Per JESD 78，class II），ESD保护超过JESD 22标准，包括2000V人体模型（A114 - A）和1000V带电设备模型（C101）。

4. 易于设计集成

采用直通式引脚排列，便于印刷电路板（PCB）走线布线；提供多种封装选项，如SSOP（8）、VSSOP（8）、X2SON（8）和DSBGA（8），满足不同应用需求。

二、PCA9306的应用场景

1. 多频率总线隔离

在I²C总线中，可能存在支持不同频率的设备，如400kHz和1MHz。PCA9306可通过控制EN引脚，在快速模式通信时断开较慢的总线，避免干扰，保证设备正常运行。

2. 远程板插入支持

当需要将带有I²C线路的远程板连接到带有I²C总线的主板（背板）时，PCA9306可在连接过程中先禁用，待远程板上电且两侧总线空闲后再启用，防止数据损坏和I²C设备状态机故障。

3. 开关模式应用

PCA9306还可在VREF1电压等于VREF2时作为开关使用，在某些情况下具有独特的优势。

三、PCA9306的详细设计要点

1. 正确的设备设置

在正常设置中，应将使能引脚EN和VREF2短路，并通过一个200kΩ电阻连接到高侧VDPU。同时，要确保VREF2与VCC2之间有外部电阻，避免因电流过大损坏器件。

2. 拉电阻的选择

拉电阻对于提供翻译器总线上的逻辑高电平至关重要。其大小取决于系统，每侧都必须有拉电阻。可参考应用笔记SLVA689来估算拉电阻的值，同时要注意不同模式下（标准模式和快速模式）的最大和最小拉电阻与总线电容和拉参考电压的关系。

3. 带宽和频率计算

PCA9306的最大频率取决于应用，在数字应用中，信号的频率带宽应至少为最大数字时钟速率的五倍。可通过公式 (f{knee}=0.5 / RT(10% - 90%)) 或 (f{knee}=0.4 / RT(20% - 80%)) 计算最大实际频率分量或转折频率（(f_{knee})）。

4. 电源供应和布局

• 电源供应方面，VREF1引脚可直接连接到电源，VREF2引脚必须通过200kΩ电阻连接到VDPU电源，同时EN和VREF2引脚需短路并通过高阻抗电阻上拉到VDPU。
• PCB布局时，应遵循常见的PCB布局实践，避免信号走线出现直角，将100pF滤波电容尽可能靠近VREF2放置。对于高密度信号布线的电路板，四层板是更好的选择。

四、总结

PCA9306作为一款高性能的双路双向I²C和SMBus电压电平转换器，具有出色的电压转换能力、广泛的兼容性和可靠的安全性，适用于多种应用场景。在设计过程中，我们需要注意设备的正确设置、拉电阻的选择、带宽和频率的计算以及电源供应和布局等要点，以确保其性能的充分发挥。希望本文能为电子工程师在使用PCA9306进行设计时提供有价值的参考。

你在使用PCA9306的过程中遇到过哪些问题？或者对它的应用有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流。