TCA9801：I²C总线缓冲器/中继器的卓越之选

在电子设备的设计中，I²C总线的应用极为广泛，而电平转换和缓冲功能对于确保总线通信的稳定和高效至关重要。TCA9801作为一款专为I²C总线和SMBus/PMBus系统设计的双通道双向缓冲器，凭借其独特的特性和出色的性能，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下TCA9801的奥秘。

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一、TCA9801的核心特性

1. 真正的缓冲功能

TCA9801能够在不使用静态电压偏移或增量偏移的情况下提供真正的缓冲，这与传统的pass - FET解决方案有很大区别。其A侧和B侧的$V{OL}$极低，约为0.2V，有效消除了由于固定$V{IL}$阈值导致的通信问题，为总线通信的稳定性提供了有力保障。

2. 电源灵活性

TCA9801没有电源定序要求或电源依赖性，$V{CCA}$可以大于、小于或等于$V{CCB}$。这种灵活性使得系统设计人员在使用TCA9801时能够更加自由地规划电源方案，满足不同应用场景的需求。

3. 集成电流源

在B侧集成了电流源，无需外部B侧电阻器。这不仅简化了电路设计，还能提供改进的上升时间和超低功耗，有助于延长电池寿命或降低敏感应用中的功耗。

4. 低功耗与兼容性

具有超低功耗的特点，同时与I²C总线和SMBus兼容。这使得TCA9801能够广泛应用于各种对功耗敏感的设备中，并且可以无缝集成到现有的I²C总线系统中。

5. 丰富的功能特性

支持时钟拉伸和多主仲裁，A侧断电时I²C总线引脚呈高阻抗状态，还具备断电反射功率保护功能，为总线的安全稳定运行提供了多重保障。

二、应用领域广泛

TCA9801的应用场景十分丰富，涵盖了服务器、路由器、工业设备、个人计算机等多个领域。在这些设备中，TCA9801能够有效地实现电平转换和缓冲功能，确保I²C总线通信的稳定和高效。对于功耗敏感型应用，其超低功耗的特性更是发挥了重要作用。

三、技术规格剖析

1. 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。TCA9801的各引脚电压、电流以及工作温度等都有明确的限制范围，如$V{CCA}$和$V{CCB}$的范围为 - 0.5V至4V，超过这些范围可能会导致器件永久损坏。

2. ESD额定值

具备一定的静电放电（ESD）防护能力，其人体模型（HBM）为 + 2000V，带电设备模型（CDM）为 + 1000V。这意味着在实际使用中，工程师需要采取适当的ESD防护措施，以避免器件受到静电损害。

3. 推荐工作条件

规定了TCA9801的正常工作条件，包括工作温度范围（ - 40°C至125°C）、电源电压范围（$V{CCA}$为0.8V至3.6V，$V{CCB}$为1.65V至3.6V）等。在设计电路时，必须确保器件在这些条件下工作，以保证其性能的稳定性。

4. 热信息

提供了器件的热阻等热信息，如结到环境的热阻$R_{θJA}$为174.1°C/W。这对于散热设计非常重要，工程师可以根据这些数据合理设计散热方案，确保器件在正常温度范围内工作。

5. 电气特性

详细描述了器件的输出特性、输入特性、直流特性等。例如，输出低电平电压$V_{OL}$在不同条件下有明确的数值范围，这些参数对于电路的性能评估和设计优化具有重要意义。

6. 时序要求

规定了最大SCL时钟频率、上升时间、下降时间以及传播延迟等时序参数。在高速通信系统中，这些时序要求必须严格满足，否则可能会导致通信错误。

7. 开关特性

包括启动时间、使能时间和禁用时间等开关特性参数。了解这些参数有助于工程师合理规划系统的时序，确保器件的正常切换和工作。

8. 典型特性曲线

通过典型特性曲线，如电流源与环境温度的关系、输出低电压与低电平电流的关系等，可以直观地了解器件在不同条件下的性能表现，为电路设计提供参考。

四、功能模式与设计要点

1. 功能模式

TCA9801具有多种功能模式，如输出禁用、数据同步等。在不同的应用场景中，可以根据实际需求选择合适的功能模式，以实现最佳的系统性能。

2. B侧输入低电平参数

在B侧输入低电平时，需要满足$V{IL}$、$I{LC}$和$R_{ILC}$等参数要求，以确保信号的正确传输。这些参数的设置对于避免通信故障和提高系统稳定性至关重要。

3. 输入和输出泄漏电流

输入和输出泄漏电流参数描述了器件的寄生电流情况，必须控制在允许范围内，否则可能会影响器件的正常工作。例如，$I{EXT - I}$和$I{EXT - O}$的最大值分别为200μA和100μA。

五、应用与实现

1. 器件选择指南

TCA980x系列有4种不同的型号，其内部电流源强度不同。在选择器件时，需要根据负载电容、上升时间、电源电压和时钟频率等设计要求进行合理选择。一般来说，TCA9803可以作为默认选择，因为它能够驱动400pF的总线电容负载，时钟频率可达400kHz。但对于追求优化设计的工程师来说，需要根据具体应用场景进行详细计算和分析。

2. B侧特殊考虑

在连接其他器件时，需要特别注意B侧的要求。例如，FET/pass - gate基于的翻译器通常不能用于B侧，因为它们可能会违反$I{EXT - I}$的要求。而与缓冲翻译器连接时，要确保不违反任何操作条件，避免出现静态电压偏移缓冲输出、$R{ILC}$过大等问题。

3. 典型应用案例

单设备应用

在单设备应用中，系统设计师需要根据负载情况选择合适的TCA980x型号。首先要确定负载电容、上升时间、电源电压和时钟频率等参数，然后通过计算和参考应用曲线来选择合适的器件。例如，在一个负载电容为100pF、上升时间要求≤150ns、$V{CCA}$为1.2V、$V{CCB}$为3.3V、时钟频率为400kHz的应用中，根据计算和应用曲线分析，TCA9802是较为合适的选择。

无电平转换缓冲应用

TCA980x系列也支持无需电平转换或电压翻译的缓冲应用。在这种情况下，同样要注意B侧不能有外部电流源，以确保器件的正常工作。根据设计要求选择合适的器件，如在一个负载电容为200pF、上升时间要求≤300ns、$V{CCA}$和$V{CCB}$均为2.5V、时钟频率为400kHz的应用中，TCA9801是最低功耗的选择。

并行设备应用

支持多个TCA980x并行使用，但要注意A侧可以连接在一起，而B侧不能连接在一起，且B侧不能连接使用静态电压偏移的翻译器。在设计时，需要根据不同总线的负载情况分别选择合适的器件。例如，在一个总线B负载电容为300pF、总线C负载电容为40pF的并行应用中，根据计算和应用曲线，总线B可选择TCA9802，总线C可选择TCA9800。

串联设备应用

TCA980x系列也支持多个器件串联使用，同样要遵循A侧可连接、B侧不能连接的原则。在设计时，要根据每个器件的负载情况进行合理选择。例如，在一个总线B负载电容为300pF、上升时间要求≤200ns、总线C负载电容为100pF、上升时间要求≤250ns的串联应用中，总线B需要选择TCA9803，总线C可选择TCA9800。

六、电源和布局建议

1. 电源建议

在设计电源时，要确保$V{CCA}$和$V{CCB}$在推荐的电压范围内，且没有电源定序和依赖要求。同时，建议在电源上使用去耦电容（0.1μF和1μF），并将其尽可能靠近$V{CCA}$和$V{CCB}$引脚，以减少电源噪声对器件的影响。

2. 布局建议

虽然大多数I²C翻译器在布局上没有特殊要求，但仍建议使用去耦电容并将其靠近电源引脚。合理的布局可以减少电磁干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

七、器件和文档支持

1. 文档支持

提供了丰富的文档资源，如《I²C总线上拉电阻计算》《I²C总线在采用中继器时的最高时钟频率》等，这些文档对于工程师进行电路设计和优化具有重要的参考价值。

2. 接收文档更新通知

工程师可以在TI.com.cn上的器件产品文件夹中注册接收文档更新通知，及时了解产品的最新信息和修订历史。

3. 支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、可靠答案和设计帮助的重要渠道，可以在这里搜索现有答案或提出自己的问题，获取所需的设计帮助。

4. 静电放电警告

ESD可能会损坏集成电路，因此在处理TCA9801时，必须采取适当的预防措施，如佩戴防静电手环、使用防静电工作台等，以避免静电对器件造成损害。

八、机械、封装和可订购信息

提供了详细的机械、封装和可订购信息，包括不同封装类型的尺寸、引脚数量、包装数量等。工程师可以根据自己的设计需求选择合适的封装和订购信息。

TCA9801作为一款高性能的I²C总线缓冲器/中继器，具有丰富的特性和广泛的应用场景。在实际设计中，工程师需要充分了解其技术规格、功能模式和应用要点，合理选择器件和优化电路设计，以确保系统的稳定和高效运行。希望本文能够为广大电子工程师在使用TCA9801时提供有益的参考和帮助。你在使用TCA9801的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。