TCA6424A：低電壓24位I2C和SMBus I/O擴(kuò)展器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，I/O擴(kuò)展器是一種常見且重要的組件，它能為微控制器提供更多的通用輸入輸出接口。今天，我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）的TCA6424A這款低電壓24位I2C和SMBus I/O擴(kuò)展器。

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1. 產(chǎn)品概述

TCA6424A專為大多數(shù)微控制器家族提供通用遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展，通過I2C接口（串行時(shí)鐘SCL和串行數(shù)據(jù)SDA）實(shí)現(xiàn)。其工作電源電壓范圍為1.65V至5.5V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。它允許在不同電壓電平之間進(jìn)行雙向電壓電平轉(zhuǎn)換和GPIO擴(kuò)展，比如在1.8V、2.5V、3.3V或5V的SCL/SDA與P端口之間。

2. 產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

2.1 寬電壓范圍

TCA6424A的一大顯著優(yōu)勢(shì)就是其寬泛的VCC范圍，P端口側(cè)和SDA/SCL側(cè)均可在1.65V至5.5V的電壓下工作。這使得它能夠與下一代微處理器和微控制器接口，同時(shí)還能兼容一些仍使用5V電源的PCB組件，如LED。

2.2 低功耗

該器件的待機(jī)電流消耗極低，僅為1μA，這對(duì)于需要低功耗設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景非常友好，能有效延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

2.3 施密特觸發(fā)器

在SCL和SDA輸入處采用了施密特觸發(fā)器，允許緩慢的輸入轉(zhuǎn)換，并能提供更好的開關(guān)噪聲抗擾性。不同電壓下的遲滯電壓（Vhys）也有所不同，例如在1.8V時(shí)為0.18V（典型值），在2.5V時(shí)為0.25V（典型值）等。

2.4 多種保護(hù)機(jī)制

具備5V容忍I/O端口、有源低電平復(fù)位輸入（RESET）和開漏有源低電平中斷輸出（INT）。ESD保護(hù)超過了JESD 22標(biāo)準(zhǔn)，人體模型（HBM）可達(dá)2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）可達(dá)1000V，能有效防止靜電放電對(duì)器件造成損壞。

3. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

3.1 寄存器設(shè)置

TCA6424A包含三個(gè)8位的配置、輸入、輸出和極性反轉(zhuǎn)（高電平有效）寄存器。上電時(shí)，I/O被配置為輸入，但系統(tǒng)控制器可以通過寫入I/O配置位將I/O啟用為輸入或輸出。每個(gè)輸入或輸出的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的輸入或輸出寄存器中，輸入端口寄存器的極性可以通過極性反轉(zhuǎn)寄存器進(jìn)行反轉(zhuǎn)。

3.2 復(fù)位機(jī)制

系統(tǒng)控制器可以在超時(shí)或其他不當(dāng)操作時(shí)，通過在RESET輸入處施加低電平來復(fù)位TCA6424A。上電復(fù)位會(huì)將寄存器置于默認(rèn)狀態(tài)，并初始化I2C/SMBus狀態(tài)機(jī)。RESET引腳也能實(shí)現(xiàn)相同的復(fù)位/初始化，而無需對(duì)器件進(jìn)行斷電操作。

3.3 中斷輸出

當(dāng)任何輸入狀態(tài)與其對(duì)應(yīng)的輸入端口寄存器狀態(tài)不同時(shí)，TCA6424A的開漏中斷（INT）輸出將被激活，用于向系統(tǒng)控制器指示輸入狀態(tài)已發(fā)生變化。INT可以連接到微控制器的中斷輸入，這樣遠(yuǎn)程I/O就可以在不通過I2C總線通信的情況下，通知微控制器其端口上是否有輸入數(shù)據(jù)。

4. 引腳配置與功能

5. 電氣特性與性能參數(shù)

5.1 絕對(duì)最大額定值

該器件在不同參數(shù)下有明確的絕對(duì)最大額定值，如VCCI和VCCP的電源電壓范圍為 - 0.5V至6.5V，輸入和輸出電壓范圍也為 - 0.5V至6.5V等。超過這些額定值可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。

5.2 ESD額定值

人體模型（HBM）的ESD額定值為0至2kV，帶電設(shè)備模型（CDM）為0至1kV，這表明該器件具有較好的靜電防護(hù)能力。

5.3 推薦工作條件

推薦的VCCI和VCCP電源電壓范圍為1.65V至5.5V，同時(shí)對(duì)不同引腳的高、低電平輸入電壓也有相應(yīng)的要求。在這些條件下工作，能確保器件的性能和穩(wěn)定性。

5.4 熱信息

給出了器件的熱阻等熱信息，如結(jié)到環(huán)境的熱阻（ReJA）為44.9°C/W等，這對(duì)于散熱設(shè)計(jì)非常重要，能幫助工程師合理設(shè)計(jì)散熱方案，確保器件在正常溫度范圍內(nèi)工作。

6. 編程與操作

6.1 上電復(fù)位

當(dāng)VCCP從0V上電時(shí)，內(nèi)部上電復(fù)位會(huì)使TCA6424A保持復(fù)位狀態(tài)，直到VCCP達(dá)到VPOR。此時(shí)，復(fù)位條件解除，寄存器和I2C/SMBus狀態(tài)機(jī)初始化到默認(rèn)狀態(tài)。

6.2 復(fù)位輸入（RESET）

通過將RESET引腳拉低至少tW時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，同時(shí)保持VCCP在工作電平。當(dāng)RESET為低電平時(shí)，寄存器和狀態(tài)機(jī)恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)；當(dāng)RESET為高電平時(shí)，P端口的I/O電平可以通過外部或控制器進(jìn)行更改。

6.3 中斷輸出（INT）

在輸入模式下，端口輸入的任何上升或下降沿都會(huì)產(chǎn)生中斷。經(jīng)過時(shí)間tiv后，INT信號(hào)有效。當(dāng)端口數(shù)據(jù)恢復(fù)到原始設(shè)置或從產(chǎn)生中斷的端口讀取數(shù)據(jù)時(shí)，中斷電路將被復(fù)位。

6.4 總線事務(wù)

寫操作

通過發(fā)送設(shè)備地址并將最低有效位（LSB）設(shè)置為邏輯0，然后發(fā)送命令字節(jié)來確定要寫入的寄存器。一次寫傳輸可以發(fā)送任意數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)，并且可以獨(dú)立更新每個(gè)8位寄存器。

讀操作

總線控制器首先發(fā)送設(shè)備地址，LSB設(shè)置為邏輯0，發(fā)送命令字節(jié)確定要訪問的寄存器。重啟后，再次發(fā)送設(shè)備地址，LSB設(shè)置為邏輯1，TCA6424A將發(fā)送相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。

7. 應(yīng)用與設(shè)計(jì)建議

7.1 典型應(yīng)用

TCA6424A可用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，例如在一個(gè)典型應(yīng)用中，可將其設(shè)備地址配置為0100000，部分引腳配置為輸入，部分引腳配置為輸出。對(duì)于可能浮空的輸入，需要添加電阻；而輸出則不需要上拉電阻。

7.2 低功耗設(shè)計(jì)

當(dāng)I/O用于控制LED時(shí)，為了最小化ICC，可以采用一些設(shè)計(jì)方法。例如，在LED上并聯(lián)一個(gè)高值電阻，或者使VCC低于LED電源電壓至少1.2V，以確保在LED關(guān)閉時(shí)I/O的VIN保持在VCC或以上，從而避免額外的電源電流消耗。

7.3 電源供應(yīng)建議

為了防止SDA可能被卡住為低電平，建議在VCCI之前對(duì)VCCP進(jìn)行升壓。同時(shí)，要注意電源供應(yīng)中的毛刺和數(shù)據(jù)損壞問題，不同類型的上電復(fù)位有不同的性能要求，如下降速率、上升速率、重新升壓時(shí)間等。

總結(jié)

TCA6424A是一款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的低電壓24位I2C和SMBus I/O擴(kuò)展器。它的寬電壓范圍、低功耗、多種保護(hù)機(jī)制以及靈活的編程方式，使其適用于各種不同的電子應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置引腳、設(shè)置寄存器，并注意電源供應(yīng)和散熱等問題，以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢(shì)。

你在使用TCA6424A的過程中遇到過哪些問題呢？或者對(duì)于它的應(yīng)用還有哪些疑問？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。