TCA9534：低电压8位I2C和SMBUS低功耗I/O扩展器的全面解析

在电子设计的领域中，I/O扩展器是解决微控制器I/O端口不足问题的常用方案。TCA9534作为一款低电压8位I2C和SMBUS低功耗I/O扩展器，凭借其丰富的特性和广泛的应用场景，在众多电子设备中得到了广泛应用。今天，我们就来深入探讨一下TCA9534的各项特性、技术参数以及应用设计要点。

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一、TCA9534概述

TCA9534是一款16引脚的设备，为两线双向I2C总线（或SMBus）协议提供8位通用并行输入和输出（I/O）扩展功能。它的电源电压范围为1.65V至5.5V，能够与各种不同的设备兼容。同时，该设备支持100kHz（标准模式）和400kHz（快速模式）的时钟频率，可满足不同应用场景下的通信需求。

二、主要特性亮点

2.1 强大的ESD保护能力

ESD保护超过JESD 22标准，其中人体模型（A114 - A）可达2000V，带电设备模型（C101）可达1000V。这使得TCA9534在复杂的电磁环境中能够有效抵御静电干扰，保证设备的稳定性和可靠性。

2.2 低功耗设计

具有低待机电流消耗的特点，对于一些对功耗要求较高的应用场景，如电池供电设备，TCA9534能够显著延长设备的续航时间。

2.3 灵活的I/O扩展功能

作为I2C到并行端口扩展器，它可以为系统提供额外的I/O端口，方便连接各种外部设备，如开关、传感器、按钮、LED等。

2.4 中断输出功能

拥有开漏低电平有效中断输出，当输入端口状态发生变化时，INT引脚会产生中断信号，通知主设备及时处理输入变化，提高系统的响应速度。

2.5 多设备挂载能力

通过三个硬件地址引脚（A0、A1、A2），允许在I2C/SMBus上最多挂载八个TCA9534设备，方便实现大规模的I/O扩展。

2.6 丰富的寄存器配置

具备输入和输出配置寄存器以及极性反转寄存器，用户可以根据实际需求灵活配置I/O端口的输入输出模式和极性，增强了设备的通用性和灵活性。

2.7 可靠的复位机制

内部集成电源上电复位功能，上电时所有通道默认配置为输入状态，并且在电源循环时可以将设备复位到默认状态，确保系统的初始状态稳定。

2.8 高驱动能力

输出具有锁存功能，并且具备高电流驱动能力，能够直接驱动LED，简化了电路设计。

三、应用场景广泛

TCA9534的应用场景十分广泛，涵盖了多个领域：

3.1 服务器和路由器

在服务器和路由器等电信交换设备中，TCA9534可以用于扩展I/O端口，连接各种传感器和控制信号，实现设备的监测和控制功能。

3.2 个人计算机和消费电子

在个人计算机和消费电子设备，如游戏机中，TCA9534可以为设备提供额外的I/O接口，方便连接外部设备，提升用户体验。

3.3 工业自动化

在工业自动化领域，TCA9534可以用于连接各种工业传感器和执行器，实现工业设备的自动化控制和监测。

3.4 GPIO受限的处理器产品

对于一些GPIO资源有限的处理器产品，TCA9534可以作为有效的I/O扩展解决方案，满足系统对I/O端口数量的需求。

四、技术参数详解

4.1 绝对最大额定值

TCA9534的电源电压（Vcc）范围为 - 0.5V至6V，输入电压（V1）和输出电压（Vo）范围同样为 - 0.5V至6V。输入和输出钳位电流在不同条件下有相应的限制，如输入钳位电流（lK）在Vi < 0时最大为 - 20mA，输出钳位电流（lok）在Vo < 0时最大为 - 20mA等。连续输出低电流（loL）通过单个P端口最大为50mA，连续输出高电流（loH）通过单个P端口最大为 - 50mA。最大结温（TJ(MAX)）为100℃，存储温度范围为 - 65℃至150℃。在实际应用中，必须严格遵守这些参数限制，以确保设备的安全和稳定运行。

4.2 ESD评级

人体模型（HBM）的ESD电压为 + 2000V，带电设备模型（CDM）的ESD电压为 ± 1000V。这表明TCA9534在静电防护方面具有较好的性能，但在实际操作中仍需注意静电防护措施，避免设备受到静电损坏。

4.3 推荐工作条件

电源电压（Vcc）推荐范围为1.65V至5.5V，高电平输入电压（VIH）和低电平输入电压（VIL）在不同的引脚和电源电压条件下有相应的要求。例如，SCL和SDA引脚在Vcc = 1.65V至5.5V时，VIH为0.7xVcc至Vcc，VIL为 - 0.5V至0.3xVcc。高电平输出电流（loH）任何P端口最大为 - 10mA，低电平输出电流（loL）在不同的结温条件下有不同的取值，如Ts ≤ 65℃时为25mA，Tjs ≤ 85℃时为18mA，Tjs ≤ 105℃时为9mA等。工作自由空气温度范围为 - 40℃至85℃。在设计电路时，应确保设备在推荐工作条件下运行，以保证其性能和可靠性。

4.4 热信息

TCA9534提供了多种热性能参数，如结到环境热阻（RaJA）、结到外壳（顶部）热阻（Rauc(top)）、结到电路板热阻（RauB）等。不同封装类型的热性能参数有所不同，例如TSSOP（16）封装的RaJA为122℃/W，SOIC（16）封装的RaJA为92.2℃/W。这些热性能参数对于评估设备的散热情况和进行热设计非常重要。

4.5 电气特性

输入二极管钳位电压（VIK）在I = - 18mA、Vcc为1.65V至5.5V时为 - 1.2V，上电复位电压（VPORR）在Vcc上升时为1.2V至1.5V，Vcc下降时为0.75V至1V。P端口高电平输出电压（VoH）在不同的电源电压和输出电流条件下有不同的取值，如Vcc = 1.65V、loH = - 8mA时，VoH为1.2V。SDA、P端口和INT在不同的输出低电压条件下有相应的输出电流限制。在实际应用中，需要根据具体的电路要求和电气特性参数来选择合适的电源和负载。

4.6 I2C接口时序要求

TCA9534支持标准模式和快速模式的I2C通信。在标准模式下，I2C时钟频率（fscl）为0至100kHz，时钟高时间（tsch）为4μs，时钟低时间（tscl）为4.7μs等。在快速模式下，fscl为0至400kHz，tsch为0.6μs，tscl为1.3μs等。这些时序要求对于确保I2C通信的稳定性和正确性至关重要，在设计电路和编写驱动程序时必须严格遵守。

4.7 开关特性

中断有效时间（tiv）从P端口到INT最大为4μs，中断复位延迟时间（tir）从SCL到INT最大为4μs，输出数据有效时间（tpv）从SCL到P7 - P0最大为350ns，输入数据建立时间（tps）从P端口到SCL最小为100ns，输入数据保持时间（tph）从P端口到SCL最小为1μs。这些开关特性参数对于评估设备的响应速度和信号传输延迟非常重要。

4.8 典型特性

文档中提供了多个典型特性曲线，如不同电源电压下的电源电流与温度的关系曲线、待机电源电流与温度的关系曲线、I/O灌电流与输出低电压的关系曲线等。这些典型特性曲线可以帮助工程师更好地了解设备在不同工作条件下的性能表现，为电路设计和参数调整提供参考。

五、详细功能解析

5.1 功能框图

TCA9534的功能框图展示了其内部结构和各个模块之间的连接关系。在电源上电复位时，所有寄存器会恢复到默认值。该设备主要由配置寄存器、输入端口寄存器、输出端口寄存器和极性反转寄存器等组成，通过I2C接口与主设备进行通信。

5.2 I/O端口配置

当I/O配置为输入时，FETs Q1和Q2关闭，形成高阻抗输入，输入电压可升至高于Vcc但最大不超过5.5V。当I/O配置为输出时，Q1或Q2根据输出端口寄存器的状态启用，此时I/O引脚与Vcc或GND之间存在低阻抗路径。在实际应用中，需要根据外部设备的要求合理配置I/O端口的输入输出模式。

5.3 中断输出（INT）

在输入模式下，端口输入的任何上升或下降沿都会产生中断。经过时间tiv后，INT信号有效。中断电路的复位可以通过将端口数据恢复到原始设置或读取产生中断的端口数据来实现。在读取模式下，中断在SCL信号上升沿后的确认（ACK）位处复位。需要注意的是，在ACK时钟脉冲期间发生的中断可能会丢失或非常短。此外，INT输出具有开漏结构，需要通过上拉电阻连接到Vcc。中断输出功能可以提高系统的响应速度，及时处理输入端口的状态变化。

5.4 设备功能模式

5.4.1 上电复位

当电源从0V施加到Vcc时，内部上电复位会使TCA9534保持复位状态，直到Vcc达到VWORK为止。此时，复位条件释放，TCA9534的寄存器和SMBus/I2C状态机初始化为默认状态。之后，需要将Vcc降低到VPORF以下，然后再恢复到工作电压，才能进行一次上电复位循环。上电复位功能可以确保设备在启动时处于稳定的初始状态。

5.4.2 编程

TCA9534具有标准的双向I2C接口，由主设备控制以配置或读取设备状态。每个I2C总线上的从设备都有一个特定的设备地址，用于区分其他从设备。主设备通过访问从设备的内部寄存器映射来进行配置和数据读写操作。I2C接口的物理线路包括串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线，这两条线都需要通过上拉电阻连接到Vcc。上拉电阻的大小由I2C线上的电容决定。数据传输只能在总线空闲时启动，当SDA和SCL线在STOP条件后都为高电平时，总线被认为是空闲的。主设备访问从设备的一般过程包括发送START条件、寻址从设备、发送或接收数据以及发送STOP条件等步骤。

六、应用设计要点

6.1 应用信息

TCA9534常用于获取更多通用I/O端口，常见的应用场景包括接收其他IC的输入信号（如传感器的中断信号）、检测物理按钮的按下状态、控制其他IC的复位或使能信号以及驱动LED提供视觉反馈等。

6.2 典型应用设计

6.2.1 设计要求

在设计使用TCA9534的电路时，需要计算结温和功耗。结温计算公式为$T{j}=T{A}+(theta{JA} × P{d})$，其中$theta{JA}$是封装的标准结到环境热阻，$P{d}$是设备的总功耗。总功耗的近似计算公式为$P{d} approx (I{CC{-} STATIC} × V{CC})+sum P{d{-} PORT{-} L}+sum P{d{-} PORT{-} H}$，其中$P{d{-} PORT{-} L}=(I{OL} × V{OL})$，$P{d{-} PORT{-} H}=(I{OH} × (V{CC}-V{OH}))$。在设计过程中，必须确保不违反推荐工作条件，以保证设备的安全运行。 当I/O用于控制LED时，为了最小化ICC电流消耗，需要确保P端口控制LED的电压在配置为输入时大于或等于Vcc。可以采用在LED上并联高值电阻或使Vcc低于LED电源电压至少$V{T}$的方法来实现这一目标。

6.2.2 详细设计步骤

SCL和SDA线的上拉电阻$R{P}$需要根据I2C总线上所有从设备的总电容进行合理选择。最小上拉电阻计算公式为$R{p(min)}=frac{V{C C}-V{OL(max)}}{I{OL}}$，最大上拉电阻计算公式为$R{p(max)}=frac{t{r}}{0.8473 × C{b}}$，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总线的最大总线电容在标准模式或快速模式下不得超过400pF，总线电容可以通过将TCA9534的电容、线路和连接的电容以及其他从设备的电容相加来近似计算。

6.3 应用曲线

文档中提供了最大上拉电阻（$R{p(max)}$）与总线电容（$C{b}$）的关系曲线以及最小上拉电阻（$R{p(min)}$）与上拉参考电压（$V{CC}$）的关系曲线。这些应用曲线可以帮助工程师直观地了解上拉电阻与总线电容和电源电压之间的关系，从而选择合适的上拉电阻值。

七、电源供应建议

7.1 上电复位要求

TCA9534可以通过上电复位功能在出现故障或数据损坏时恢复到默认状态。上电复位需要设备进行一次电源循环，包括将Vcc降低到VPORF以下，然后再恢复到工作电压。电源供应中的毛刺可能会影响上电复位性能，毛刺宽度（$V{CC underline GW}$）和高度（$V{CC underline GH}$）相互关联，旁路电容、源阻抗和设备阻抗等因素也会影响上电复位性能。文档中提供了推荐的电源供应时序和斜坡速率参数，如VCC_FT（下降速率）为1至2000ms，VCC_RT（上升速率）为0.1至2000ms等。

7.2 布局设计

在进行TCA9534的印刷电路板（PCB）布局时，需要遵循常见的PCB布局原则。虽然I2C信号速度不需要考虑高速数据传输中的匹配阻抗和差分对等问题，但仍需注意避免信号迹线出现直角，将信号迹线从集成电路附近分散开，使用较粗的迹线来承载较大的电流，如电源和接地迹线。为了控制Vcc引脚的电压，通常会使用旁路和去耦电容，大电容用于在电源短暂故障时提供额外的功率，小电容用于过滤高频纹波。这些电容应尽可能靠近TCA9534放置。对于信号路由密度较高的电路板，4层板是更优的选择，通常将信号路由在顶层和底层，一个内部层用作接地平面，另一个内部层用作电源平面。在使用平面或分割平面进行电源和接地布局时，需要在需要连接到Vcc或GND的表面贴装元件焊盘旁边直接放置过孔，并将过孔电气连接到内部层或电路板的另一侧。

八、设备和文档支持

8.1 文档支持

提供了一系列相关文档，如I2C总线拉电阻计算、I2C总线使用中继器的最大时钟频率、逻辑介绍、理解I2C总线、为新设计选择正确的I2C设备以及I/O扩展器EVM用户指南等。这些文档可以帮助工程师更好地了解和使用TCA9534。

8.2 文档更新通知

可以通过访问ti.com上的设备产品文件夹，在右上角点击“Alert me”进行注册，以接收每周的产品信息更新摘要。同时，可以查看修订文档中的修订历史以了解具体的变更细节。

8.3 社区资源

TI提供了E2E™在线社区和设计支持资源。在E2E社区中，工程师可以与其他同行交流问题、分享知识、探索想法并共同解决问题。设计支持资源可以帮助工程师快速找到有用的E2E论坛、设计支持工具以及技术支持的联系信息。

8.4 静电放电注意事项

TCA9534是一款集成电路，容易受到静电放电（ESD）的损坏。TI建议在处理所有集成电路时采取适当的预防措施，以避免因不当的处理和安装程序导致设备损坏。ESD损坏可能导致设备性能下降甚至完全失效，特别是对于精密