具有上升时间加速器的 TCA9416 超低电压 I2C 转换器：特性与应用解析

在电子设计领域，电压转换器件是实现不同电压节点之间数字开关兼容性的关键。今天，我们来深入探讨德州仪器（TI）的 TCA9416 超低电压 I2C 转换器，看看它在实际应用中能为我们带来哪些便利和优势。

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一、器件概述

TCA9416 是一款具有输出使能 (OE) 输入以及上升沿和下降沿加速器的 2 位双向 I2C 和 SMBus 电压电平转换器。它专为转换逻辑电压电平而设计，能够在 A 侧和 B 侧均以 1.08V 至 3.6V 的电压运行，可在典型的 1.2V、1.8V、2.5V 和 3.3V 电源轨之间进行任何高低逻辑信号电平切换。

二、特性亮点

（一）双向转换与高阻抗输出

该器件适用于 I2C 应用中的 SDA 和 SCL 线路，在无方向引脚的情况下提供双向电压转换。当 $OE = 0V$ 或 $V_{CC} = 0V$ 时，SCL_A、SDA_A、SCL_B、SDA_B 引脚呈高阻抗输出状态，这一特性在某些特定的电路设计中非常实用，例如在需要隔离某些信号时。

（二）内部上拉电阻与电源灵活性

TCA9416 在 SCL_A、SDA_A、SCL_B 和 SDAB 上具有内部 10kΩ 上拉电阻器，并且根据相应的 $V{CC}$ 电压启用所有 SDA 和 SCL 引脚上的内部上拉电阻器。同时，它无需电源定序，$V{CCA}$ 或 $V{CCB}$ 均可优先斜升，这大大增加了电源设计的灵活性。

（三）高速性能与低功耗

在正常 I2C 和 SMBus 配置下，TCA9416 可以达到 SCL 频率为 100kHz（标准模式）、400kHz（快速模式）或 1MHz（快速模式升级版）的标准速度要求。此外，它还具有低至 2.5µA 的 $off$ 电流（当 VCCA 或 $V_{CCB} = 0V$ 时），有效降低了功耗。

（四）高可靠性

TCA9416 的闩锁性能超过 100mA，符合 JESD 78 II 类规范；ESD 保护性能超过 JESD 22 规范要求，人体放电模型（A114 - B）可达 2500V，充电器件模型（C101）可达 1500V，这使得它在复杂的电磁环境中也能稳定工作。

三、引脚配置与功能

TCA9416 有 8 引脚 DTM 和 8 引脚 DDF 两种封装形式，其引脚功能如下：	引脚	DTM	DDF	类型	说明
SCL_A	1	1	I/O	输入/输出 A，以 VccA 为基准
VCCA	2	3	Power	A 端口电源电压，1.08V ≤ VccA ≤ 3.6V
SDA_A	3	4	I/O	输入/输出 A，以 VccA 为基准
GND	4	6	GND	接地
SDA_B	5	5	I/O	输入/输出 B，以 Vcc 为基准
VCCB	6	7	电源	B 端口电源，1.08V ≤ VccB ≤ 3.6V
SCL_B	7	8	I/O	输入/输出 B，以 Vcce 为基准
OE	8	2	输入	输出使能（高电平有效），将 OE 引脚拉为低电平，使所有输出处于三态模式，以 VccA 为基准

通过合理配置这些引脚，我们可以实现不同的功能和应用场景。

四、规格参数

（一）绝对最大额定值

在推荐的自然通风条件下，TCA9416 的电源电压范围（VCCA 和 VccB）为 -0.5V 至 4V，输入和输出电压范围在遵守电流额定值的情况下也有相应的规定，同时还对输入钳位电流、输出钳位电流、持续输出电流等参数进行了限制。这些参数为我们在设计电路时提供了安全边界，避免因电压或电流过大而损坏器件。

（二）ESD 等级

该器件的 A 端口、B 端口静电放电人体放电模型（HBM）可达 +2500V，VCCA、VCcB、OE 的 HBM 为 +2000V，充电器件模型（CDM）为 ±1000V，这表明它具有良好的静电防护能力。

（三）建议运行条件

建议的电源电压 VCCA 和 VccB 范围为 1.08V 至 3.6V，输入电压范围为 0V 至 3.6V，工作温度范围为 -40°C 至 125°C。在实际应用中，我们应尽量使器件工作在这些建议条件下，以确保其性能和稳定性。

（四）热性能信息

不同封装形式的 TCA9416 具有不同的热性能指标，如结至环境热阻、结至外壳（顶部）热阻、结至电路板热阻等。了解这些热性能信息有助于我们在设计散热方案时做出合理的选择。

（五）电气特性

包括 UVLO 上升和下降阈值、RTA 和 FTA 激活阈值、上拉电阻值、输入输出电流等参数，这些参数反映了器件的电气性能，对于电路设计和性能优化至关重要。

（六）时序要求和开关特性

规定了从 VRTA 到 RTA 禁用的时间、传播延迟时间、上升和下降时间等时序参数，以及不同电源电压下的开关特性，这些参数对于保证信号的准确传输和系统的正常运行非常关键。

五、详细说明

（一）架构

TCA9416 采用基于自动方向感应的转换器架构，无需方向控制信号即可支持双向数据流。它通过适当偏置导通 FET 的栅极，当任一端输入电压降至低于两个电源中最低电压约 1 电压阈值时，FET 可导通（低 RDSON）。同时，它还包含输出上升时间加速器电路和输出下降时间加速器电路，用于检测和加速 A 或 B 端口的上升沿和下降沿，从而提高整体数据速率。

（二）启用和禁用

通过 OE 输入可以控制器件的启用和禁用。将 OE 设为低电平可禁用器件，防止任何信号在器件上传播，上升和下降时间加速器也会被禁用，但如果电源高于 VUVLO，内部上拉电阻器仍将被启用。禁用时间 $(t{dis})$ 和启用时间 $(t{en})$ 是需要关注的重要参数。

（三）I/O 线路上的上拉电阻器

每个 A 端口 I/O 具有一个针对 $V{CCA}$ 的内部 10kΩ 上拉电阻器，每个 B 端口具有一个针对 $V{CCB}$ 的内部 10kΩ 上拉电阻器。如果需要更小值的上拉电阻器，可以在 I/O 与 VCCA 或 VCCB 之间添加一个外部电阻器（与内部 10kΩ 电阻器并联），但要注意增加较低值的上拉电阻会影响 $V_{OL}$ 电平。

六、应用和实现

（一）应用信息

TCA9416 可用于弥合两个电压节点之间的数字开关兼容性差距，适用于点对点拓扑结构中，将在不同接口电压下运行的器件或系统相互连接起来，主要目标应用是连接数据 I/O 上的开漏驱动器，如 I2C 或 SMBus。

（二）典型应用

在典型应用中，我们需要确定输入电压范围和输出电压范围，使用正在驱动 TCA9416 器件的器件电源电压来确定输入电压范围，使用 TCA9416 器件正在驱动的器件电源电压来确定输出电压范围。同时，TCA9416 器件具有 10kΩ 内部上拉电阻器，如果需要的话，可增加外部上拉电阻器来减少信号迹线上的总 RC。

（三）大容性负载失配的启动注意事项

由于该转换器采用基于 FET 的架构，在上电期间如果两侧之间的电容差异很大，可能会出现一些问题。例如，当一个具有较小电容的电源已经上电，而另一个正在斜升（OE 引脚为高电平），负载较重的一侧可能会比电源斜升得慢，导致器件短暂打开下降时间加速器以传播低电平。为了消除这种现象，可以将 OE 引脚保持为低电平（禁用）直到所有电源和总线都加速上升，较慢的电源斜升也有助于减少这种情况。

七、电源相关建议

TCA9416 在 1.08V 至 3.6V 范围之外没有电源限制，$VCCA$ 可以高于或低于 $V{CCB}$，内部电路将自动选择合适的电源以正确支持转换。在上电运行期间，任一电源都可以首先斜升。为了确保输出在加电或断电期间为高阻抗状态，OE 输入引脚必须通过一个下拉电阻器接至 GND，并且在 $V{CCA}$ 和 $V_{CCB}$ 完全斜升且稳定前一定不能被启用。

八、布局建议

（一）布局指南

为了确保器件的可靠性，建议在电源上使用旁路电容器，并尽可能靠近 $VCCA$、$V_{CCB}$ 引脚和 $GND$ 引脚放置；使用短迹线以避免过多负载；保持 SCL 和 SDA 长度接近以防止信号偏斜；PCB 信号布线长度必须保持足够短，以使任何反射的往返延迟小于单次持续时间，大约 30ns，并确保任何反射在源驱动器处都遇到低阻抗。

（二）布局示例

文档中提供了 TCA9416 的布局示例（DDF），我们可以参考这些示例来进行实际的 PCB 设计。

九、器件和文档支持

TI 提供了丰富的器件和文档支持，我们可以通过导航至 ti.com 上的器件产品文件夹来接收文档更新通知。TI E2E™ 支持论坛是工程师获取快速、经过验证的解答和设计帮助的重要参考资料。同时，我们也要注意静电放电对器件的影响，在操作时要采取适当的防护措施。

总之，TCA9416 超低电压 I2C 转换器以其丰富的特性、良好的性能和广泛的应用场景，为电子工程师在设计不同电压节点之间的连接电路时提供了一个优秀的选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和设计要求，合理配置和使用该器件，同时注意其各种参数和注意事项，以确保电路的稳定性和可靠性。你在使用类似的电压转换器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。