TCA39306双向I2C总线和SMBus电压电平转换器技术解析

在电子设计领域，电压电平转换是一个常见且关键的问题，特别是在涉及不同电压标准的总线通信时。TCA39306作为一款双路双向电压电平转换器，为I2C、SMBus和I3C等总线通信提供了有效的电压转换解决方案。本文将深入探讨TCA39306的特性、应用、详细说明以及相关设计要点。

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一、TCA39306特性与应用

特性亮点

TCA39306具有诸多出色特性。它采用使能（EN）输入，与I2C、SMBus和I3C兼容，能在0.9V至3.3V VREF1和1.8V至5.5V VREF2的范围内工作。无需方向引脚即可在0.85V到5V之间实现双向电压转换，开关具有低导通状态电阻（RON），能在最短传播延迟情况下建立连接。当EN为高电平时，转换器开关打开，实现端口间双向数据流；当EN为低电平时，开关关闭，端口间呈高阻态。此外，它还具备ESD保护性能超过JESD 22规范要求等优点。

广泛应用

该器件适用于多种应用场景，如混合模式I2C应用中SDA和SCL线路的2位双向转换，支持标准模式、快速模式和快速模式增强版I2C与SMBus，也与I3C兼容（支持12.5MHz）。可用于I2C、SMBus、PMBus、MDIO、UART、低速SDIO、GPIO和其他双信号接口，在服务器、路由器、个人计算机、工业自动化等领域都有应用。

二、规格参数分析

绝对最大额定值与ESD等级

在使用TCA39306时，需关注其绝对最大额定值。如VREF1和VREF2的直流基准电压范围为 -0.5V至7V，输入和输出电压范围也为 -0.5V至7V等。超出这些额定值运行可能会对器件造成永久损坏。其ESD等级方面，人体放电模型（HBM）为±2000V，充电器件模型（CDM）为 +1000V，这表明它在静电防护方面有较好的表现。

建议运行条件

建议运行条件规定了器件正常工作的参数范围。例如，输入/输出电压VIo在SCL1、SDA1、SCL2、SDA2引脚处为0至5.5V，VREF1和VREF2的基准电压范围为0至5.5V，EN开关的使能电压为1.5至5.5V等。遵循这些条件能确保器件稳定可靠运行。

热性能与电气特性

热性能信息展示了不同封装下的热阻等参数，如结至环境热阻RIJA在不同封装（DCU、DDF、DTM）下分别为275.5、273.0、289.5 °C/W。电气特性方面，包括输入钳位电压、输入漏电流、阈值电压、导通状态电阻等参数，这些参数在不同测试条件下有相应的取值范围，对电路设计和性能评估至关重要。

三、详细说明与功能模式

器件概述

TCA39306在实现电压转换的同时，还可用于总线隔离。在I²C应用中，需考虑总线电容限值，器件两侧容性负载总和应低于规定值。其SDA和SCL通道电气特性相同，输出间电压偏差和传播延迟偏差小，优于分立式晶体管电压转换解决方案。

阈值电压与器件设置

文档中涉及的阈值电压Vth约为0.6V，在器件设置时，正确连接使能引脚和VREF2并通过上拉电阻建立基准电压很关键。若连接不当，可能导致电流过大损坏器件。例如，VREF2直接连接到VCC2电源轨且VCC2大于VCC1加Vth时，NFET导通会传导大电流。

多种应用场景

TCA39306可用于断开响应者与主总线连接，支持远程板插入到背板，还能在VREF1等于VREF2时作为开关器件使用。在不同应用中，其传播延迟特性有所不同，工程师需根据实际情况进行选择和设计。

器件功能模式

器件有转换器功能和断开两种模式。在转换器功能模式下，逻辑低电平可从一侧传播到另一侧，逻辑高电平被阻断，由独立上拉电阻器将线路驱动为高电平。

四、应用和实施要点

通用I2C应用

在通用I2C应用中，需使用上拉电阻器提供逻辑高电平，中继器两侧都要有上拉电阻。TCA39306可在标准开漏I2C总线上实现电压转换，通过合理设置上拉电阻大小和连接方式，能实现无缝转换。

典型应用设计

典型应用设计有开关始终启用和开关使能控制两种电路。设计时需满足一定要求，如VREF2基准电压为VREF1 +0.6至5V，EN使能输入电压为VREF1+0.6至5V等。详细设计过程包括双向电压转换、确定上拉电阻大小和带宽计算等方面。

I3C使用注意事项

TCA39306虽有带宽支持I3C高速，但在I3C应用中需考虑特殊因素。I3C总线开关和电压转换对基于FET的转换器带来挑战，需合理设置使能电压、上拉电阻等参数，以确保正常工作。

电源与布局建议

电源方面，VREF1可直接连接电源，VREF2需通过200kΩ电阻器连接至VDPU电源，且EN和VREF2引脚需短接并通过高阻抗电阻上拉至VDPU。布局时，应遵循常见PCB布局实践，避免信号布线呈直角，将100pF滤波电容靠近VREF2放置，根据电路板密度选择合适的层数和布线方式。

五、总结与思考

TCA39306为电子工程师在电压电平转换和总线通信方面提供了强大的工具。在实际设计中，工程师需深入理解其特性、规格参数和应用要点，根据具体需求进行合理设计和布局。同时，要关注ESD防护、电源连接和上拉电阻设置等细节，以确保器件稳定可靠运行。大家在使用TCA39306过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。