深入解析TCA9617B：I2C总线中继器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，I2C总线和SMBus系统的应用极为广泛。而TCA9617B作为一款BiCMOS双双向缓冲器，专为I2C总线和SMBus系统量身打造，为工程师们提供了强大的支持。今天，我们就来深入了解一下这款TCA9617B。

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一、TCA9617B的特性亮点

1. 多模式支持与双向缓冲

TCA9617B是一款双通道双向I2C缓冲器，支持标准模式、快速模式（400kHz）和快速模式+（1MHz）的I²C操作。这使得它能够适应不同的应用场景，满足多样化的设计需求。它可以对I2C总线的串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）信号进行缓冲，在I2C应用中允许连接两个550pF的总线，有效扩展了I2C和类似总线系统，且在电平转换时不会降低性能。

2. 宽电压范围与电平转换

该器件的A侧工作电源电压范围为0.8V至5.5V，B侧为2.2V至5.5V，能够实现0.8V至5.5V和2.2V至5.5V的电压电平转换。这种宽电压范围和电平转换能力，使其在混合模式应用中表现出色，可在不同电压的设备之间实现有效的信号传输。

3. 兼容性与可靠性设计

TCA9617B在设计上具有良好的兼容性，其引脚布局和功能可替代TCA9517。同时，它具备诸多可靠性设计特点。例如，它有高电平有效的中继器使能输入，采用开漏I²C I/O配置；支持5.5V的I²C和使能输入，具备无锁定操作功能；当电源关闭时，I²C总线引脚呈高阻抗状态，避免对其他电路产生干扰。此外，它还支持时钟拉伸和跨设备的多控制器仲裁，闩锁性能超过JESD 78的II类标准（100mA），ESD保护超过JESD 22标准（人体模型4000V、带电设备模型1500V）。

二、应用场景广泛

TCA9617B的应用场景十分广泛，常见于服务器、路由器（电信交换设备）、工业设备以及具有许多I²C目标和/或长PCB走线的产品中。在这些应用中，它能够有效解决不同电压设备之间的通信问题，提高系统的稳定性和可靠性。

三、规格参数详解

1. 绝对最大额定值与推荐条件

在使用TCA9617B时，需要关注其绝对最大额定值和推荐工作条件。绝对最大额定值规定了器件能够承受的极限参数，如VCCA和VCCB的电源电压范围为 - 0.5V至6.5V等。而推荐工作条件则是保证器件正常、稳定工作的参数范围，例如VCCA为0.8V至VCCB，VCCB为2.2V至5.5V，环境温度TA为 - 40°C至85°C等。超出绝对最大额定值可能会导致器件永久损坏，而在推荐工作条件之外使用可能会影响器件的可靠性、功能性和性能，缩短其使用寿命。

2. ESD额定值

ESD（静电放电）是电子设备在生产、运输和使用过程中需要关注的重要问题。TCA9617B的ESD额定值表明其具有良好的抗静电能力，人体模型（HBM）为 + 4000V，带电设备模型（CDM）为 ± 1500V。这意味着在正常的操作环境中，它能够较好地抵御静电的影响，减少因静电放电而损坏的风险。

3. 热信息与电气特性

热信息方面，TCA9617B给出了如结到环境热阻、结到外壳热阻等参数，这些参数对于散热设计至关重要。在电气特性上，包括输入钳位电压、低电平输出电压、高电平输入电压等参数，都有明确的规定。例如，在不同的测试条件下，输入钳位电压VIK的最小值、典型值和最大值都有相应的范围，这些参数为电路设计提供了精确的参考。

4. 时序要求

时序要求对于I2C总线的正常通信至关重要。TCA9617B规定了传播延迟、过渡时间和建立时间等参数。例如，传播延迟tPLH和tPHL在不同的输入输出条件和电源电压下有不同的取值范围，过渡时间tTLH和tTHL也有相应的规定。这些时序参数的设计是基于特定的负载条件（如B侧负载为240Ω ± 1%和400pF ± 10%，A侧负载为240Ω ± 1%和200pF ± 10%），不同的负载电阻和电容会改变上升时间，从而影响传播延迟和过渡时间。

四、详细工作原理与模式

1. 整体概述

TCA9617B在I2C总线和SMBus系统中，需要上拉电阻来提供缓冲总线上的逻辑高电平，采用标准的I²C总线开漏配置。当任一电源关闭时，SCL和SDA线将处于高阻抗状态。B侧驱动器工作电压为2.2V至5.5V，其内部缓冲器的输出低电平约为0.5V，但当输出被外部驱动为低电平时，输入电压必须低于VIL。而A侧驱动器工作电压为0.8V至5.5V，没有缓冲低电平特性，B侧的低信号在A侧转换为接近0V的低电平，以适应低电压逻辑的小电压摆幅。

2. 双向电平转换

TCA9617B的一大重要特性是能够在混合模式应用中提供低电压（低至0.8V）和高电压（2.2V至5.5V）之间的双向电压电平转换，包括上转换和下转换。这种双向电平转换能力使得它能够在不同电压的设备之间实现有效的信号传输，为系统设计提供了更大的灵活性。

3. 高低电平转换特性

在低到高的转换过程中，器件B侧存在偏移电压。当目标释放且B侧上升到0.5V时，会保持在该电压直到A侧上升超过VCCA的30%，之后B侧才开始上升到VCCB。由于B侧基座和静态偏移电压的特性，B侧从外部驱动低电平上升到0.5V偏移时会有轻微过冲。TCA9617B设计为在系统上升时间大于20ns时控制这种行为，因此在B侧存在上升时间加速器的设备时，需要注意限制上拉强度，以避免过冲过大导致上升时间加速器过早触发。

在高到低的转换过程中，当总线A侧被驱动到VCCA的30%时，B侧驱动器开启，B侧先被驱动到0V，然后上升到静态偏移电压0.5V。这种“倒置基座”效应使得B侧能够比驱动到静态偏移更快地驱动到逻辑低电平，但驱动到静态偏移电压时需要减慢下降时间以防止振铃。

4. 设备功能模式

TCA9617B具有高电平有效的使能（EN）输入，内部上拉至VCCB，用户可以通过控制EN来选择中继器何时处于活动状态。需要注意的是，EN在I2C操作期间绝不能改变状态，否则可能会导致总线挂起或使I²C部件混乱。只有当全局总线和中继器端口处于空闲状态时，EN输入才能改变状态，以防止系统故障。当EN为低电平时，输出禁用；当EN为高电平时，SDAA = SDAB，SCLA = SCLB。

五、应用与设计要点

1. 典型应用示例

在典型应用中，系统控制器可能运行在0.9V的I2C总线，而目标连接到2.5V的总线，两者总线均以400kHz运行。TCA9617B具有5V容限，无需额外电路即可实现0.8V至5.5V总线电压和2.7V至5.5V总线电压之间的转换。当TCA9617B的A侧被I2C总线上的驱动器拉低时，比较器检测到信号电平低于VCCA的30%的下降沿，使B侧的内部驱动器开启，B侧先被拉低到0V，然后稳定在0.5V。当B侧下降到0.4V以下时，TCA9617B检测到下降沿，开启A侧的内部驱动器，将A侧引脚拉低到地。

2. 不同应用配置

TCA9617B可以存在多种配置，包括标准配置、星形配置和串联配置。在标准配置中，需要满足一定的设计要求，如VCCA为0.8V至5.5V，VCCB为2.2V至5.5V，VCCA ≤ VCCB，IOL > IO等。在详细设计过程中，上拉电阻的选择至关重要。B侧的所有设备必须能够将B侧拉到电压输入低竞争电平（0.4V）以下，因此B侧上拉电阻的大小需要仔细选择，以确保逻辑电平正确传输到A侧，同时要保证上升时间大于20ns，避免B侧基座过冲过大。

星形配置允许将多个A侧连接在一起，使所有节点能够相互通信。串联配置则是将多个TCA9617B的A侧连接到B侧，I2C总线目标设备可以连接到任何总线段，但串联设备的数量受中继器延迟和飞行时间的限制，需要考虑最大总线速度要求。

3. 电源与布局建议

在电源方面，VCCA需要0.8V至5.5V的电源，VCCB需要2.2V至5.5V的电源，同时建议使用标准的去耦电容，电容值通常在0.1µF至1µF之间，具体取决于电源噪声的频率。在布局上，推荐的去耦电容应尽可能靠近TCA9617B的VCCA和VCCB引脚，以减少电源噪声对器件的影响。

六、总结与思考

TCA9617B作为一款功能强大的I2C总线中继器，具有众多优秀的特性和广泛的应用场景。它的双向电平转换能力、宽电压范围和良好的可靠性设计，为电子工程师在I2C总线和SMBus系统设计中提供了极大的便利。然而，在实际应用中，我们也需要根据具体的设计要求，仔细考虑其规格参数、时序要求和应用配置等方面，合理选择上拉电阻、电源和布局，以确保系统的稳定运行。

在设计过程中，你是否遇到过类似I2C总线电平转换的难题？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。希望通过对TCA9617B的深入了解，能够帮助大家在电子设计中更加得心应手。