TCA9517A：强大的I²C总线中继器的设计与应用

在电子设计领域，I²C和SMBus系统的扩展与优化一直是工程师们关注的重点。德州仪器（TI）的TCA9517A作为一款具有电平转换功能的双向缓冲器，为I²C和SMBus系统的设计带来了新的解决方案。今天，我们就来深入探讨TCA9517A的特性、应用及设计要点。

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一、TCA9517A的特性亮点

1. 多通道双向缓冲与电平转换

TCA9517A具备双通道双向缓冲功能，可实现I²C和SMBus系统中低电压（低至0.9V）与较高电压（2.7V - 5.5V）之间的双向电压电平转换。这种电平转换能力使得它在混合模式应用中表现出色，能够有效扩展I²C和SMBus系统，且在电平转换过程中不会降低系统性能。它还能缓冲I²C总线上的串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）信号，允许在I²C应用中连接两个总线电容高达400pF的总线。

2. 宽工作电压范围

A侧的工作电源电压范围为0.9V - 5.5V，B侧为2.7V - 5.5V，这种宽电压范围设计使得TCA9517A能够适应不同的电源环境，为系统设计提供了更大的灵活性。

3. 高ESD保护与抗闩锁能力

该器件具有出色的ESD保护性能，人体模型（HBM）达到±5500V，机器模型（A115 - A）为±200V，带电设备模型（C101）为±1000V。同时，其闩锁性能超过100mA（符合JESD 78，II类），这大大提高了器件在复杂电磁环境下的可靠性。

4. 灵活的驱动设计

TCA9517A拥有A侧和B侧两种不同类型的驱动。A侧驱动工作电压范围为0.9V - 5.5V，能提供更大的电流驱动能力，可适应较低电压逻辑的小电压摆幅。B侧驱动工作电压范围为2.7V - 5.5V，其内部缓冲器的输出低电平约为0.5V，并且具有“缓冲低”特性，可防止锁定情况的发生。

5. 多种工作模式支持

支持标准模式和快速模式I²C设备，以及SMBus设备，能够满足不同系统的通信速率需求。同时，它还支持时钟拉伸功能，但在使用时需要注意通过增加上拉电阻值来最小化目标设备和控制器之间交接时的过冲电压。

二、TCA9517A的应用场景

1. 服务器与路由器

在服务器和路由器等电信交换设备中，通常存在多个I²C目标设备和较长的PCB走线。TCA9517A可以有效扩展I²C总线，确保信号的稳定传输，提高系统的可靠性和性能。

2. 工业设备

工业设备对电子元件的可靠性和稳定性要求极高。TCA9517A的高ESD保护和宽工作电压范围使其非常适合工业环境，能够在复杂的电磁干扰和电源波动情况下正常工作。

三、TCA9517A的设计要点

1. 引脚配置与连接

TCA9517A采用VSSOP (8)封装，引脚配置清晰明确。A侧的SDA和SCL引脚需要通过上拉电阻连接到VCCA，B侧的SDA和SCL引脚则需连接到VCCB。EN引脚为高电平有效，用于使能中继器，在使用时应确保在全局总线和中继器端口处于空闲状态时改变其状态，以防止系统故障。

2. 电源供应

VCCA和VCCB可以按任意顺序上电。TCA9517A包含上电电路，可确保在VCCB高于2.5V且VCCA高于0.8V之前，输出驱动器保持关闭状态。建议在VCCA和VCCB引脚附近放置约100nF的去耦电容，以提高电源的稳定性。

3. 上拉电阻选择

上拉电阻对于提供缓冲总线上的逻辑高电平至关重要。A侧和B侧都需要上拉电阻，其大小取决于系统的具体需求。在选择B侧上拉电阻时，需要确保所有B侧设备能够将B侧电压拉至低于电压输入低电平竞争阈值（VILC），以保证逻辑电平的正确传输。

4. 布局设计

虽然TCA9517A不需要特殊的布局程序，但建议将去耦电容尽可能靠近VCC引脚放置，以减少电源噪声对器件的影响。同时，合理的布线可以降低信号干扰，提高系统的稳定性。

四、TCA9517A的连接拓扑

1. A侧连接

多个TCA9517A的A侧可以连接在一起，以A侧作为公共总线，实现多种拓扑结构。此外，A侧还可以直接连接到任何具有静态或动态偏移电压的其他缓冲器。

2. 串联连接

多个TCA9517A可以A侧到B侧串联连接，不会出现偏移电压累积的问题，只需考虑飞行时间延迟。但需要注意的是，不能将B侧与B侧连接，也不能将B侧连接到具有上升时间加速器的设备。

五、总结

TCA9517A作为一款功能强大的I²C总线中继器，凭借其出色的电平转换能力、宽工作电压范围、高ESD保护和灵活的驱动设计，为I²C和SMBus系统的设计提供了可靠的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体的系统需求，合理选择引脚连接、电源供应、上拉电阻和布局设计，以充分发挥TCA9517A的性能优势。希望本文能为电子工程师们在使用TCA9517A进行设计时提供一些有价值的参考。大家在使用TCA9517A的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。