TCAL9539R：低电压转换、16位I2C总线、SMBus I/O扩展器深度解析

在电子工程师的日常设计工作中，I/O扩展器是解决GPIO受限问题的常用方案。今天，我们就来深入探讨一款功能强大的I/O扩展器——TCAL9539R，它具有中断输出、复位和配置寄存器等特性，适用于多种应用场景。

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一、特性亮点

1. 宽电压范围与低功耗

TCAL9539R的工作电源电压范围为1.08V至3.6V，在1.8mV时具有1µA（典型值）的低待机电流消耗。这使得它在不同的电源环境下都能稳定工作，并且功耗极低，非常适合电池供电的设备。

2. 高速通信

支持1MHz快速+模式I2C总线，能够实现高速数据传输，满足对数据传输速率要求较高的应用场景。

3. 硬件地址引脚

硬件地址引脚允许在同一I2C/SMBus总线上支持两个器件，方便系统扩展。

4. 丰富的寄存器功能

具有低电平有效复位输入（RESET）、开漏低电平有效中断输出（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、上拉电阻和下拉电阻配置寄存器等。这些寄存器为工程师提供了灵活的配置选项，可以根据具体应用需求进行定制。

5. 高可靠性

闩锁性能超过100mA，符合JESD 78 II类规范的要求；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），能够有效保护器件免受静电和闩锁效应的影响。

二、应用领域

TCAL9539R的应用范围非常广泛，包括但不限于以下领域：

1. 服务器和路由器：在服务器和电信交换设备中，用于扩展GPIO，实现对各种外设的控制和监测。
2. 个人计算机和电子产品：如笔记本电脑、平板电脑等，可增加额外的I/O接口，方便连接各种外部设备。
3. 工业自动化：在工业控制系统中，用于连接传感器、执行器等设备，实现数据采集和控制。
4. 游戏机：为游戏机提供更多的I/O接口，增强游戏的交互性。
5. 采用GPIO受限处理器的产品：对于一些GPIO资源有限的处理器，TCAL9539R可以作为扩展方案，满足系统对I/O的需求。

三、详细规格

1. 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保器件的安全使用至关重要。TCAL9539R的电源电压、输入电压、输出电压等参数都有明确的最大和最小值限制，超出这些范围可能会对器件造成永久损坏。例如，电源电压（Vcc）的范围为 - 0.5V至4V，输入钳位电流（lK）在V < 0时最大值为 - 20mA等。

2. ESD等级

该器件的ESD等级较高，人体放电模型（HBM）为 + 4000V，充电器件模型（CDM）为 ± 1000V，这意味着它在实际应用中能够更好地抵抗静电干扰，提高系统的可靠性。

3. 建议运行条件

为了保证器件的正常运行，建议在特定的条件下使用。例如，电源电压（VCC）建议在1.08V至3.6V之间，高电平输入电压（VIH）为所有引脚的0.7 * VCC至3.6V等。

4. 热性能信息

热性能信息对于评估器件在不同工作环境下的散热情况非常重要。文档中给出了结至环境热阻（RIJA）、结至外壳（顶部）热阻（Re JC(top)）等参数，工程师可以根据这些参数进行散热设计。

5. 电气特性

详细的电气特性参数包括输入二极管钳位电压（VIK）、上电复位电压（VPORR、VPORF）、P端口高电平输出电压（VOH）、低电平输出电压（VOL）等。这些参数为电路设计提供了精确的参考，工程师可以根据实际需求进行电路优化。

6. 时序要求

时序要求规定了器件在不同操作下的时间参数，如复位脉冲持续时间（tw）、复位恢复时间（tREC）、复位时间（tRESET）等。遵循这些时序要求能够确保器件的正常工作，避免出现时序冲突等问题。

7. I2C总线时序要求

对于I2C总线通信，文档中给出了不同模式（标准模式、快速模式、快速 + 模式）下的时钟频率、时钟高电平时间、时钟低电平时间等时序参数。工程师在设计I2C总线电路时，需要严格按照这些参数进行设计，以保证数据传输的准确性和稳定性。

8. 开关特性

开关特性描述了器件在输入输出转换过程中的时间参数，如中断有效时间（tiv）、中断复位延迟时间（tr）、输出数据有效时间（tpv）等。了解这些特性有助于优化电路的响应速度和性能。

四、引脚配置和功能

TCAL9539R采用TSSOP（24）封装，各个引脚都有明确的功能定义。例如，A0和A1为地址输入引脚，用于设置器件的I2C地址；GND为接地引脚；INT为中断输出引脚，通过一个上拉电阻器连接到Vcc；RESET为低电平有效复位输入引脚等。每个P端口（P00 - P17）都可以配置为输入或输出，上电时默认配置为输入。

五、详细说明

1. 概述

TCAL9539R的数字内核由8位数据寄存器组成，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，但系统控制器可以通过写入配置寄存器将其配置为输入或输出。此外，该器件还具有敏捷I/O功能，包括可编程输出驱动强度、可编程上拉和下拉电阻器、可锁存输入、可屏蔽中断等，能够有效改善I/O性能。

2. 功能方框图

功能方框图直观地展示了器件的内部结构和工作原理，有助于工程师理解器件的整体架构。

3. 特性说明

I/O端口

当I/O配置为输入时，FET Q1和Q2处于关闭状态，创建一个高阻抗输入；当配置为输出时，Q1或Q2启用，I/O引脚和电源或GND之间存在低阻抗路径。

可调输出驱动强度

输出驱动强度寄存器支持用户控制GPIO的驱动电平，每个GPIO可以独立配置为四个可能的电流电平之一。通过降低电流驱动能力，可以降低系统噪声，缓解同步开关噪声（SSN）问题。

中断输出（INT）

在输入模式中，端口输入的任何上升沿或下降沿都会生成中断。INT信号经过时间$t_{iv}$后有效，当端口上的数据改回原始设置或从生成中断的端口读取数据时，中断电路复位。

复位输入（RESET）

将RESET引脚保持在低电平至少$t_{w}$，可实现状态机复位。TCAL9539R寄存器具有粘滞性，在RESET切换时保持其在I2C状态机初始化时最后配置的状态。

软件复位广播

通过特定的I2C总线命令序列，可以实现软件复位广播，将所有寄存器值恢复为上电默认值。

4. 器件功能模式

上电复位

将电源施加到$V{CC}$时，内部上电复位会将器件保持在复位状态，直到电源达到$V{POR}$，然后释放复位条件，将寄存器和I2C/SMBus状态机初始化为默认状态。

5. 编程

I2C接口

双向I2C总线由串行时钟（SCL）线和串行数据（SDA）线组成，通过发送启动条件、器件地址字节、命令字节等进行数据传输。在数据传输过程中，需要遵循严格的时序要求和应答机制。

6. 寄存器映射

器件地址

TCAL9539R的地址由A0和A1引脚设置，目标地址的最后一位定义了要执行的操作（读取或写入）。

控制寄存器和命令字节

控制寄存器和命令字节用于选择要访问的内部寄存器，不同的命令字节对应不同的寄存器操作。

寄存器说明

包括输入端口寄存器、输出端口寄存器、极性反转寄存器、配置寄存器、输出驱动强度寄存器、输入锁存寄存器、上拉/下拉使能寄存器、上拉/下拉选择寄存器、中断屏蔽寄存器、中断状态寄存器和输出端口配置寄存器等。每个寄存器都有其特定的功能和默认值，工程师可以根据需要进行配置。

总线事务

包括写入和读取操作，写入时通过发送器件地址和命令字节，将数据传输至指定寄存器；读取时先发送器件地址和命令字节，然后重新启动发送读取地址，由器件发送寄存器中的数据。

六、应用和实施

1. 应用信息

在实际应用中，TCAL9539R作为目标连接到I2C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。

2. 典型应用

以一个具体的应用原理图为例，展示了如何配置器件的地址、I/O端口等。同时，给出了设计要求和详细的设计过程，包括选择适当的上拉电阻器、估算总线电容等。

3. 电源相关建议

上电复位要求

如果发生干扰或数据损坏，可以使用上电复位功能将器件复位为默认状态。上电复位要求器件经过下电上电后才能完全复位，同时需要注意电源的下降速率、上升速率等参数。

布局

在PCB布局时，应遵循常见的布局实践，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器件。对于不同的信号布线密度，可以选择2层或4层电路板。

七、总结

TCAL9539R是一款功能强大、性能稳定的I/O扩展器，具有丰富的特性和灵活的配置选项。在实际设计中，工程师可以根据具体应用需求，充分利用其各种功能，优化电路设计，提高系统的可靠性和性能。同时，在使用过程中，需要严格遵循器件的规格和时序要求，确保器件的正常工作。大家在使用这款器件的过程中，有没有遇到什么有趣的问题或者独特的应用场景呢？欢迎在评论区分享交流。