TXE81XX 16 位和 24 位 SPI 总线 I/O 扩展器：特性与应用全解析

在电子设计领域，I/O 扩展器是解决系统 I/O 端口不足的重要工具。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）推出的 TXE81XX 16 位和 24 位 SPI 总线 I/O 扩展器，看看它有哪些独特的特性和广泛的应用场景。

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特性亮点

电源与性能

TXE81XX 工作电源电压范围为 1.65V 至 5.5V，具有很强的电源适应性。其低待机电流消耗仅 2.3µA（典型值），能有效降低系统功耗。在 SPI SCLK 频率方面，3.3V 至 5.5V 电压下支持 10MHz，1.65V 至 5.5V 电压下支持 5MHz，可满足不同的通信速率需求。

功能特性

• 输入输出保护：具备 5V 耐压输入和输出端口，内置失效防护 I/O 功能，能有效保护器件免受高压损坏。
• 中断与复位：开漏低电平有效中断输出（INT）可及时反馈输入状态变化，低电平有效复位输入（RESET）方便系统初始化。
• 灵活配置：GPIO 的所有输入端都支持单独的 I/O 控制和干扰滤波器，还支持 SPI 菊花链、I/O 读取突发模式、I/O 极性反转等功能，以及总线保持功能，可保持最后一个 I/O 状态。
• 驱动能力：具有高电流驱动能力的锁存输出，可直接驱动 LED，方便实现显示功能。
• 可靠性：闩锁性能超过 100mA，符合 JESD 78 II 类规范要求；ESD 保护性能超过 JESD 22 规范要求，包括 2000V 人体放电模型（A114 - A）和 1000V 充电器件模型（C101），保证了器件在复杂环境下的可靠性。

应用领域

TXE81XX 的应用十分广泛，涵盖了工业、医疗、通信等多个领域，如工业运输、工业自动化、测试和测量、工厂自动化与控制、医疗和保健、服务器、路由器等电信交换设备，以及采用 GPIO 受限处理器的产品。这些场景中，TXE81XX 能为系统提供额外的 I/O 端口，解决 I/O 不足的问题。

规格参数

绝对最大额定值

在自然通风条件下，电源电压（Vcc）、输入电压（Vi）和输出电压（Vo）的范围为 -0.5V 至 6.5V，输入和输出钳位电流也有相应的限制。结温（TJ）和贮存温度（Tstg）范围为 -40°C 至 150°C。超出这些绝对最大额定值运行可能会对器件造成永久损坏。

ESD 等级

静电放电方面，人体放电模型（HBM）为 +2000V，充电器件模型（CDM）为 +1000V，符合相关标准，能有效防止静电对器件的损害。

建议运行条件

建议运行的电源电压范围为 1.65V 至 5.5V，高电平输入电压（VIH）和低电平输入电压（VIL）根据不同引脚有相应的要求。高电平输出电流（IoH）和低电平输出电流（IoL）也有明确规定，环境温度范围为 -40°C 至 130°C。

热性能信息

不同封装的热性能指标有所差异，如结至环境热阻（RIJA）、结至外壳（顶部）热阻（RJC(top)）、结至电路板热阻（RBJB）等，在设计时需要根据实际情况选择合适的封装。

引脚配置与功能

TXE81XX 有多种封装形式，如 TXE8124 的 VSSOP (32) 和 VQFN(32)，TXE8116 的 VSSOP(24) 和 VQFN(24)。每个引脚都有明确的功能，如 P 端口用于输入/输出，CS 为 SPI 芯片选择输入，SCLK 为 SPI 串行时钟输入等。在使用时，需要根据具体的应用需求进行正确的引脚连接。

详细工作原理

数字内核与寄存器

TXE81XX 数字内核由 24 位寄存器组成，允许用户配置 I/O 端口特性。上电或复位后，I/O 被配置为输入，系统控制器可通过写入方向配置寄存器将 I/O 配置为输入或输出。每个输入或输出的数据保存在相应的输入端口或输出端口寄存器中，输入端口寄存器的极性可由极性反转寄存器转换。

I/O 端口特性

当 I/O 配置为输入时，FET Q1 和 Q2 处于关闭状态，创建高阻抗输入；配置为输出时，Q1 或 Q2 启用，I/O 引脚和电源或 GND 之间存在低阻抗路径。要确保正常运行，施加到 I/O 引脚的外部电压不应超过推荐电压值。

中断输出

TXE81XX 器件会在输入 I/O 的任何上升沿或下降沿生成中断，只要该 I/O 的中断未被屏蔽。中断保持有效直到该端口的所有中断标志位都清零，读取中断标志状态寄存器不会自动清除中断。配置为输出的 I/O 不会生成中断。该器件有智能中断、常规中断、POR 中断和失效防护冗余失败中断四种类型，可通过相应的寄存器进行配置和管理。

复位输入与失效防护模式

RESET 可置为有效输入以初始化系统，将 RESET 引脚保持在低电平至少 tW 可实现复位。SPI 控制器可将 TXE81XX 设置为失效防护状态，通过对失效防护使能寄存器进行编程，启用该功能并将引脚功能从复位更改为失效防护。在故障情况下，会向 SPI 控制器生成中断，控制器需重新写入相关寄存器。

其他功能

还支持软件复位广播、突发模式和菊花链等功能。软件复位广播可通过 SPI 总线上的控制器发出命令，使器件复位为上电默认状态；突发模式可自动递增地址，提高数据读取效率；菊花链配置允许多个 TXE81XX 器件串联，增加支持的 I/O 端口数量。

编程与寄存器映射

SPI 接口

TXE81XX 采用 SPI 接口设置器件配置、运行参数和读取诊断信息。支持 SPI 模式 0（CPOL = 0，CPHA = 0），空闲时，时钟（SCLK）为低电平，数据在 SCLK 的上升沿进行采样，在下降沿改变。除了独立芯片选择的 SPI 总线，还支持菊花链配置，可减少 CS 线路数量。

数据格式与读写操作

SPI 数据格式为 24 位，以 MSB 优先的方式移入器件。写入操作时，将 CS 驱动为低电平，移入 24 位数据，MSB 位为“0”表示写入；读取操作时，MSB 位为“1”表示只读传输。在读写过程中，会有相应的状态信息在 SDO 上发送。

寄存器映射

控制寄存器包括读取/写入与功能地址、端口选择与多端口等部分，每个寄存器都有特定的功能和默认值。如暂存寄存器用于测试，器件 ID 寄存器用于识别器件型号，输入端口寄存器反映 IO 引脚的输入逻辑电平，输出端口寄存器显示输出逻辑电平，方向配置寄存器配置 I/O 引脚的方向等。

应用与实施建议

典型应用

TXE81XX 可作为目标器件连接至 SPI 控制器，位于远离控制器的远程位置，靠近需要监视或控制的 GPIO。在典型应用中，可根据具体需求将 P 端口配置为输入或输出，部分可能浮动的输入需要电阻器。

电源相关建议

上电复位要求器件经过下电上电后才能完全复位，电源中的干扰会影响上电复位性能，干扰宽度和高度相互依赖。旁路电容、源阻抗和器件阻抗是影响上电复位性能的因素，VPOR 对上电复位至关重要。

布局指南

在 PCB 布局时，应遵循常见的 PCB 布局实践，避免信号布线呈直角，使用较粗的布线承载大电流。旁路电容器和去耦电容器应尽可能靠近 TXE81XX。对于信号布线密度大的电路板，建议使用 4 层电路板。

综上所述，TXE81XX 16 位和 24 位 SPI 总线 I/O 扩展器以其丰富的特性、广泛的应用场景和详细的技术规格，为电子工程师提供了一个可靠的 I/O 扩展解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择器件的封装、配置寄存器，并注意电源和布局等方面的问题，以充分发挥 TXE81XX 的性能优势。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享。