TCA9545A：低电压4通道I²C和SMBus开关的深度解析

在电子工程师的日常设计中，I²C和SMBus开关的选择至关重要。今天，我们就来深入探讨一款性能卓越的开关——TCA9545A，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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1. 产品特性与应用领域

1.1 特性亮点

TCA9545A具备众多引人注目的特性。它是一款4通道双向转换开关，支持I²C总线和SMBus，拥有四个低电平有效中断输入和一个低电平有效中断输出，还有低电平有效复位输入。两个地址端子允许I²C总线上最多连接四个设备，且通过I²C总线可任意组合选择通道。此外，它具有低导通电阻开关，能实现1.8V、2.5V、3.3V和5V总线之间的电压电平转换，上电无毛刺，支持热插拔，待机电流低，工作电源电压范围为1.65V至5.5V，输入可承受5.5V电压，时钟频率为0至400kHz，闩锁性能超过100mA。

1.2 应用场景

TCA9545A的应用领域十分广泛，涵盖服务器、路由器、工厂自动化等。在存在I²C从设备地址冲突的产品中，如多个相同的温度传感器，它能发挥重要作用。

2. 产品详细描述

2.1 功能概述

TCA9545A是通过I²C总线控制的四路双向转换开关。上游的SCL/SDA对会扩展为四个下游对或通道，可根据可编程控制寄存器的内容选择任何单个SCn/SDn通道或通道组合。四个中断输入（INT3 - INT0）分别对应四个下游对，一个中断输出（INT）作为四个中断输入的逻辑与。低电平有效复位（RESET）输入可使TCA9545A从下游I²C总线之一处于低电平状态的情况中恢复。

2.2 功能模式

2.2.1 RESET输入

当RESET信号被拉低至少twL时，设备寄存器和I²C状态机将初始化为默认状态，所有通道也会被取消选择。RESET必须通过上拉电阻连接到VCC。

2.2.2 上电复位

当电源施加到VCC时，内部上电复位会使TCA9545A处于复位状态，直到VCC达到VWORK。此时，复位条件解除，寄存器和I²C状态机初始化为默认状态，所有通道被取消选择。之后，VCC必须至少降至VPORF以下才能复位设备。

2.3 编程与控制

2.3.1 I²C接口

I²C总线用于不同IC或模块之间的双向两线通信，包括串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。数据传输只能在总线空闲时启动，每个时钟脉冲传输一位数据，数据在时钟脉冲高电平期间必须保持稳定。

2.3.2 控制寄存器

设备地址由硬件可选择的A0和A1端子控制，最后一位定义操作类型（读或写）。控制寄存器可通过I²C总线读写，其内容决定所选通道和中断状态。四个最低有效位控制四个开关通道的启用和禁用，四个最高有效位用于中断处理。

2.3.3 中断处理

TCA9545A提供四个中断输入和一个开漏中断输出。当任何设备产生中断时，中断输出被拉低，相应的控制寄存器位被设置。主设备可以读取控制寄存器以确定哪个通道包含产生中断的设备。

3. 规格参数

3.1 绝对最大额定值

包括电源电压范围、输入电压范围、输入和输出电流、总功耗、工作和存储温度范围等。这些参数为我们在设计时提供了安全边界，确保设备不会因超出额定值而损坏。

3.2 ESD评级

TCA9545A在静电放电方面表现出色，人体模型（HBM）的ESD应力电压为4000V，带电设备模型（CDM）为1500V，这使得它在实际应用中具有较高的可靠性。

3.3 推荐工作条件

明确了电源电压、输入高电平和低电平电压以及工作温度范围等参数，为我们选择合适的工作条件提供了依据，保证设备在推荐条件下稳定运行。

3.4 电气特性

涵盖了上电复位电压、开关输出电压、输入和输出电流、电容和导通电阻等参数。这些参数详细描述了设备在不同工作条件下的电气性能，对于电路设计和性能评估至关重要。

3.5 接口时序要求

包括I²C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。严格的时序要求确保了I²C通信的准确性和稳定性。

3.6 开关特性

如传播延迟时间、中断有效时间和中断复位延迟时间等，这些参数影响着开关的响应速度和性能。

3.7 中断和复位时序要求

规定了中断输入的高低电平脉冲持续时间拒绝、复位低电平脉冲持续时间和复位时间等，保证了设备在中断和复位操作时的可靠性。

4. 应用与实现

4.1 应用信息

TCA9545A可用于解决I²C从设备地址冲突问题，还能将总总线电容分布到多个通道。在应用中，我们需要根据具体情况合理分配设备和选择通道，以充分发挥其优势。

4.2 典型应用

典型应用中会包含1至5个单独的数据上拉电压，根据设备工作电压和最大通过电压选择合适的VCC。在需要电压转换的应用中，还需考虑额外的设计要求。

4.3 设计要求与步骤

4.3.1 设计要求

中断输入的上拉电阻使用需根据产生中断的设备输出结构确定，A0和A1端子可直接连接到GND或VCC。同时，要注意多个从通道同时激活时的电流总和以及VCC对最大通过电压的限制。

4.3.2 详细设计步骤

合理选择每个总线的上拉电阻，根据VDPUX、VOL(max)和IOL计算最小上拉电阻，根据最大上升时间和总线电容计算最大上拉电阻。

5. 电源供应与布局建议

5.1 电源供应

TCA9545A的工作电源电压范围为1.65V至5.5V，上电复位时需遵循相关要求，确保I²C总线逻辑正确初始化。我们需要关注电源的下降和上升时间、重新斜坡时间以及电压阈值等参数，以保证设备的正常工作。

5.2 布局建议

在PCB布局时，要遵循常见的PCB布局原则，确保接地端子有低阻抗路径连接到接地平面。对于不需要电压转换的应用，可使用单个铜平面连接上拉电阻；需要电压转换时，使用分割平面隔离不同电压电位。同时，尽量缩短数据线长度并减小走线宽度，以降低总线电容。

6. 总结

TCA9545A是一款功能强大、性能卓越的I²C和SMBus开关，在解决地址冲突、实现电压转换和优化总线布局等方面具有显著优势。在实际设计中，我们需要充分了解其特性和参数，根据具体应用场景合理选择和使用，以达到最佳的设计效果。希望本文能为电子工程师们在使用TCA9545A进行设计时提供有价值的参考。

你在使用TCA9545A时遇到过哪些问题？或者你对它还有哪些方面想要进一步了解？欢迎在评论区留言讨论。