探索TCAL9538：8位I2C总线/SMBus I/O扩展器的卓越性能与应用

在电子设计领域，I/O扩展器是解决处理器I/O端口不足问题的关键组件。今天，我们将深入探讨TCAL9538这款具有中断输出、复位和敏捷I/O配置寄存器的8位I2C总线/SMBus I/O扩展器，了解其特性、应用以及设计要点。

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一、特性亮点

宽电压范围与低功耗

TCAL9538的工作电源电压范围为1.08V至3.6V，这使得它能够适应多种电源环境。在1.8V时，它具有1µA（典型值）的低待机电流消耗，对于电池供电的设备来说，这一特性可以显著延长电池续航时间。

高速通信与多器件连接

支持1MHz快速+模式I2C总线，能够实现高速数据传输。硬件地址引脚允许在同一条I2C/SMBus总线上连接四个器件，这为系统的扩展提供了便利，工程师可以根据需要灵活配置多个扩展器，满足不同的I/O需求。

丰富的功能寄存器

它拥有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强大的配置能力，可以根据具体应用场景优化I/O端口的性能。例如，通过配置输出驱动强度寄存器，可以控制GPIO的驱动电平，降低系统噪声，缓解同步开关噪声（SSN）问题。

高可靠性设计

具有低电平有效复位输入（RESET）和开漏低电平有效中断输出（INT），能够在出现异常情况时及时复位系统，并通过中断信号通知处理器。同时，它的ESD保护性能超过JESD 22规范要求，其中人体放电模型（A114 - A）可达4000V，充电器件模型（C101）可达1000V，有效提高了器件的可靠性和稳定性。

二、应用领域广泛

TCAL9538的应用场景十分丰富，涵盖了服务器、路由器（电信交换设备）、个人计算机、个人电子产品、工业自动化、游戏机以及采用GPIO受限处理器的产品等多个领域。在这些应用中，当开关、传感器、按钮、LED、风扇等设备需要额外使用I/O时，TCAL9538可以提供简单有效的解决方案。

三、规格参数详解

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。TCAL9538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。例如，电源电压（Vcc）的范围为 - 0.5V至4V，超出这些范围运行可能会对器件造成永久损坏。

ESD等级

如前文所述，该器件具有良好的ESD保护性能，能够有效抵御静电放电的影响，这在实际应用中可以减少因静电问题导致的器件故障。

建议运行条件

在建议运行条件下使用器件，可以确保其正常运行并保证可靠性。例如，电源电压（Vcc）建议在1.08V至3.6V之间，环境温度（TA）建议在 - 40℃至125℃之间。

热性能信息

不同封装的TCAL9538具有不同的热性能指标，如结至环境热阻（RIJA）、结至外壳（顶部）热阻（RB JC(top)）等。在设计散热方案时，需要根据具体的封装和应用场景进行考虑，以确保器件在正常的温度范围内工作。

四、引脚配置与功能

TCAL9538有TSSOP (16)、UQFN(16)、X2QFN(16)三种封装形式，每种封装的引脚配置都有详细的说明。例如，A0和A1为地址输入引脚，可用于编程和改变固定的I2C地址；INT为中断输出引脚，通过一个上拉电阻器连接到VCC；P0 - P7为端口输入/输出引脚，上电时默认配置为输入。

五、详细设计要点

I/O端口配置

当I/O配置为输入时，会创建一个高阻抗输入，输入电压可以升高到高于电源电压，最大值为3.6V。当配置为输出时，I/O引脚和电源或GND之间存在低阻抗路径，需要确保施加的外部电压不超过推荐电压值。

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都可以独立地配置为四个可能的电流电平之一。通过合理配置这些位，可以降低系统噪声，缓解SSN问题。

中断输出与复位输入

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$t{iv}$后将有效。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，即可实现中断电路的复位。可以断言RESET输入以初始化系统，将RESET引脚保持在低电平至少$t{w}$，可实现复位。

软件复位广播

通过I2C总线上的控制器发出特定的命令序列，可以实现软件复位广播，将所有支持该命令的器件复位为上电默认状态。

六、应用设计实例

典型应用原理图

在典型应用中，TCAL9538作为目标连接到I2C控制器（处理器），位于远离控制器的远程位置，靠近需要监视或控制的GPIO。例如，在一个具体的应用中，器件地址配置为1110000，P0、P2和P3配置为输出，P1、P4和P5配置为输入。

设计要求与参数计算

在设计过程中，需要根据具体的应用需求确定设计参数，如电源电压、输出电流额定值、I2C总线时钟速度等。同时，需要为SCL和SDA线选择适当的上拉电阻器$R{P}$，并考虑I2C总线上所有目标的总电容。最小上拉电阻$R{p(min )}=frac{V{C C}-V{O L(max )}}{I{O L}}$，最大上拉电阻$R{p(max )}=frac{t{r}}{0.8473 × C{b}}$。

电源相关建议

为了确保器件的正常运行，需要注意上电复位要求。如果发生干扰或数据损坏，可以使用上电复位功能将TCAL9538复位为默认状态。同时，需要关注电源的干扰宽度和高度，以及VPOR（上电复位电压）的变化。

布局设计

在PCB布局设计中，建议遵循一些常见的最佳实践，如避免信号布线呈直角、使用较粗的布线承载大电流、将旁路电容器和去耦电容器尽可能靠近TCAL9538等。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

TCAL9538作为一款功能强大的8位I2C总线/SMBus I/O扩展器，具有宽电压范围、低功耗、高速通信、丰富的功能寄存器和高可靠性等优点。在实际应用中，工程师可以根据具体的需求合理配置其引脚和寄存器，优化系统性能。同时，在设计过程中需要注意规格参数、引脚配置、应用设计要点以及布局设计等方面的问题，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能够为电子工程师在使用TCAL9538进行设计时提供有价值的参考，你在实际应用中是否遇到过类似I/O扩展器的设计挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。