TCAL9539 I2C总线I/O扩展器技术解析与应用指南

科技观察员 2025-08-08 926

描述

Texas Instrument TCAL9539/TCAL9539-Q1 I^2^C总线/SMBus I/O扩展器为双线双向I^2^C总线（或SMBus）协议提供通用并行输入/输出 (I/O) 扩展。该器件设计用于1.08V至3.6V VCC 运行。该器件支持100kHz（标准模式）、400kHz（快速模式）和1MHz（快速模式+）I^2^C时钟频率。当传感器、开关、按钮、LED、风扇等需要额外的I/O时，TCAL9539/TCAL9539-Q1这样的I/O扩展器提供了一个简单的解决方案。

数据手册：

*附件：TCAL9539-Q1数据手册.pdf

*附件：Texas Instruments TCAL9539数据手册.pdf

TCAL9539/TCAL9539-Q1具有敏捷 I/O 端口，其中包括旨在增强I/O功耗、速度和EMI性能的附加功能。其他功能包括可编程上拉和下拉电阻、可编程输出驱动强度、可锁存输入、中断状态寄存器、可屏蔽中断以及可编程开漏或推挽输出。Texas Instrument TCAL9539-Q1器件符合AEC-Q100汽车应用的要求。

特性

工作电源电压范围：1.08V至3.6V
在1.8mV时具有1µA（典型值）的低待机电流消耗
1MHz快速模式+ I^2^C总线
硬件地址引脚允许两个设备在同一根I^2^C、SMBus 总线上。
低电平有效复位输入 (RESET)
低电平有效的开漏中断输出 (INT)
输入或输出配置寄存器
极性反转寄存器
可配置I/O驱动强度寄存器
上拉和下拉电阻器配置寄存器
内部上电复位
SCL/SDA输入端静噪滤波
具有最大电流驱动能力的锁存输出，可直接驱动LED
闭锁性能超过100mA，符合JESD 78 II类标准
静电放电保护超越 JESD 22 标准
- 2000V人体模型 (A114-A)
- 1000V充电器件模型 (C101)

简化示意图

并行输入

TCAL9539 I2C总线I/O扩展器技术解析与应用指南

一、核心特性

‌宽电压工作范围‌：1.08V至3.6V电源电压
‌超低功耗‌：典型待机电流仅1μA@1.8V
‌高速接口‌：支持1MHz Fast-mode Plus I2C总线
‌丰富I/O功能‌：16个可配置GPIO引脚
‌先进保护机制‌：2000V HBM ESD保护

‌典型应用场景‌：

服务器管理接口扩展
电信交换设备
工业自动化控制系统
GPIO资源受限的处理器扩展

二、关键技术创新

1. Agile I/O架构

TCAL9539采用创新的Agile I/O设计，提供以下增强功能：

‌可编程驱动强度‌：4级可调输出驱动能力
‌灵活上下拉配置‌：支持100kΩ可编程上拉/下拉电阻
‌输入锁存功能‌：可捕获瞬态输入信号
‌中断状态寄存器‌：精确识别中断源

2. 电源管理系统

‌宽电压兼容‌：1.08-3.6V全范围工作
‌低静态电流‌：典型值1μA@1.8V
‌电源序列‌：无严格上电顺序要求
‌POR保护‌：1.0V(上升)/0.6V(下降)的复位阈值

三、硬件接口设计

1. 引脚配置

‌ 地址引脚(A0/A1) ‌：支持最多4个设备地址
‌ 中断输出(INT) ‌：开漏结构，需外接上拉电阻
‌ 复位输入(RESET) ‌：低电平有效，最小80ns脉宽
‌ GPIO端口(P00-P17) ‌：支持推挽/开漏输出配置

2. I2C接口规范

‌时序参数‌：
- 标准模式(100kHz)
- 快速模式(400kHz)
- 快速模式+(1MHz)
‌总线负载‌：最大400pF(标准/快速模式)或550pF(Fast-mode Plus)

四、寄存器配置详解

1. 核心寄存器组

寄存器	地址	功能	默认值
输入端口0	00h	读取P00-P07状态	实时值
输出端口1	03h	控制P10-P17输出	FFh
极性反转	04h	输入信号反相	00h
配置寄存器	06h	I/O方向设置	FFh

2. Agile I/O扩展寄存器

‌驱动强度控制‌(40h-43h)：每引脚4级驱动配置
‌输入锁存使能‌(44h-45h)：捕获瞬态信号
‌上下拉配置‌(46h-49h)：100kΩ电阻选择
‌中断管理‌(4Ah-4Dh)：中断屏蔽与状态查询

五、性能优化技巧

‌降低EMI‌：
- 使用可编程驱动强度减少开关噪声
- 选择最高1MHz总线频率
‌功耗管理‌：
- 未使用引脚配置为输出模式
- 利用PFM模式降低轻载功耗
‌中断优化‌：
- 使用输入锁存捕获短脉冲信号
- 通过状态寄存器快速识别中断源

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