汽车类低压16位I/O扩展器TCA9539-Q1：特性、应用与设计要点

在电子工程师的日常设计工作中，I/O扩展器是一个常见且关键的器件。今天我们就来深入探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的TCA9539-Q1汽车类低压16位I2C和SMBus低功耗I/O扩展器，看看它有哪些独特的特性、广泛的应用场景以及设计时需要注意的要点。

文件下载：tca9539-q1.pdf

一、TCA9539-Q1的特性亮点

1. 汽车级应用适配

TCA9539-Q1符合AEC-Q100（等级1）标准，满足汽车应用的严格要求，并且提供功能安全相关文档，可帮助进行功能安全系统设计，这对于汽车电子这种对安全性和可靠性要求极高的领域来说至关重要。

2. 丰富的接口与功能特性

• I2C至并行端口扩展：为两线双向I2C总线（或SMBus协议）提供16位通用并行输入和输出（I/O）扩展，能有效解决微控制器I/O端口不足的问题。
• 中断输出与复位输入：开漏电路低电平有效中断输出（INT），当输入端口状态发生变化时，可在INT引脚上生成中断，方便系统及时响应；低电平有效复位输入（RESET），可将器件复位为默认状态，增强了系统的稳定性和可维护性。
• 耐压与兼容性：具有5V耐压输入和输出端口，兼容大多数微控制器，适用范围广泛。
• 高速总线支持：支持400kHz快速I2C总线，能满足高速数据传输的需求。
• 极性反转寄存器：可对输入端口寄存器的极性进行反转，增加了设计的灵活性。
• 内部上电复位：加电时无干扰，确保器件在启动时能正常工作。

3. 良好的电气性能

• 锁存输出与闩锁性能：锁存输出可直接驱动LED，闩锁性能超过100mA，符合JESD 78 II类规范要求。
• ESD保护：ESD保护性能超过JESD 22规范要求，其中人体放电模型（A114-A）达到2000V，带电器件模型（C101）达到1000V，有效提高了器件的抗静电能力。

二、TCA9539-Q1的应用领域

1. 汽车领域

在汽车信息娱乐系统、高级驾驶辅助系统（ADAS）、汽车车身电子装置、混合动力汽车（HEV）、电动车（EV）和动力总成等方面都有广泛应用。例如，可用于控制车内的各种指示灯、传感器信号的采集等。

2. 工业与商业领域

适用于工业自动化、工厂自动化、楼宇自动化、测试与测量、电子销售点终端（EPOS）等场景。比如在工业自动化生产线中，可对各种执行器和传感器进行I/O扩展控制。

3. I2C GPIO扩展

作为I2C GPIO扩展器，可在需要额外I/O的场景中提供简单有效的解决方案，如开关、传感器、按钮、LED、风扇等器件的连接。

三、TCA9539-Q1的详细说明

1. 基本参数

TCA9539-Q1是一款24引脚器件，工作电源电压（VCC）范围为1.65V至3.6V，支持100kHz（I2C标准模式）和400kHz（I2C快速模式）两种时钟频率。其封装类型为TSSOP（24），封装尺寸标称值为7.80mm × 4.40mm。

2. 功能模块

• 寄存器结构：由两个8位的配置（输入或输出选择）、输入端口、输出端口和极性反转（高电平或低电平有效操作）寄存器组成。上电时，I/O默认配置为输入，系统控制器可通过写入配置寄存器位来将I/O设置为输入或输出。
• 中断功能：当输入端口状态与输入端口寄存器状态不同时，INT引脚输出中断信号，可连接到微控制器的中断输入，使远程I/O能在不通过I2C总线通信的情况下通知微控制器端口有数据输入。
• 地址设置：通过两个硬件地址引脚A0和A1进行寻址，最多允许四个TCA9539-Q1器件位于同一I2C总线上，方便系统扩展。

四、设计要点与注意事项

1. 电源设计

• 电源电压范围：确保VCC在1.65V至3.6V的推荐工作电压范围内，避免超出绝对最大额定值（-0.5V至3.6V），以免造成器件损坏。
• 电源纹波与去耦：使用旁路和去耦电容来控制VCC引脚的电压，大电容用于在电源短时间出现故障时提供额外的功率，小电容用于滤除高频纹波。电容应尽可能靠近TCA9539-Q1放置。
• 电源复位：了解电源上电复位的要求，当VCC下降到VPORF以下再上升到工作电压时，会触发上电复位，将寄存器和I2C-SMBus状态机初始化为默认状态。同时要注意电源中的毛刺对复位性能的影响，合理设置旁路电容、源阻抗和器件阻抗。

2. I2C接口设计

• 上拉电阻选择：SCL和SDA线需要通过上拉电阻连接到VCC，上拉电阻的大小要根据I2C总线的总电容来选择。最小上拉电阻 (R{p(min)}=frac{V{C C}-V{OL(max )}}{I{OL}})，最大上拉电阻 (R{p(max )}=frac{t{r}}{0.8473 × C{b}})，其中(t{r})为最大上升时间（快速模式下为300ns），(C_{b})为总线电容，I2C总线的最大电容在标准模式或快速模式下不得超过400pF。
• 信号时序：严格遵循I2C接口的时序要求，包括时钟频率、时钟高电平和低电平时间、数据建立和保持时间等，确保数据传输的准确性。

3. 布局设计

• PCB布局原则：遵循常见的PCB布局实践，避免信号迹线出现直角，从集成电路附近引出信号迹线时要相互分开，使用较粗的迹线来承载较大电流的电源和地线。在四层PCB中，可将信号路由在顶层和底层，一个内层用作接地平面，另一个内层用作电源平面。
• 电容放置：旁路和去耦电容应尽可能靠近TCA9539-Q1，以发挥其最佳的滤波和储能作用。

4. 散热设计

在设计时要考虑器件的散热问题，通过计算结温（(T{j}=T{A}+left(theta{JA} × P{d}right))）和功率耗散（(P{d} approxleft(I{CC{-} STATIC } × V{CC}right)+sum P{d{-} PORT{-} L}+sum P{d{-} PORT{-} H})），确保器件工作在安全的温度范围内，避免因过热影响器件性能和寿命。

5. ESD防护

由于该集成电路容易受到ESD损坏，在操作和安装过程中要采取适当的防静电措施，如佩戴防静电手环、使用防静电工作台等，以防止ESD对器件造成损害，从轻微的性能下降到完全的器件失效。

五、总结

TCA9539-Q1作为一款功能强大、性能可靠的汽车类低压16位I/O扩展器，在汽车电子和工业控制等领域有着广泛的应用前景。电子工程师在使用该器件进行设计时，需要充分了解其特性、参数和设计要点，合理进行电源、接口、布局和散热等方面的设计，同时要注意ESD防护，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为广大电子工程师在设计中使用TCA9539-Q1提供一些有价值的参考。你在使用I/O扩展器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。