PCA9515B：I²C和SMBus应用的理想双向缓冲器

在电子工程师的日常设计工作中，为优化I²C和SMBus系统性能，常常需要借助可靠的双向缓冲器。PCA9515B作为一款优秀的BiCMOS双路双向缓冲集成电路，能很好地满足此类需求。下面，我们就来详细了解一下PCA9515B。

文件下载：pca9515b.pdf

一、产品概述

PCA9515B专为I²C总线和SMBus应用而设计，包含两个相同的双向开漏缓冲电路，可在不降低系统性能的前提下扩展I²C及类似总线系统，还能增加从设备数量。该双路双向I²C缓冲器的工作电压范围为2.3V至3.6V VCC，能缓冲I²C总线上的串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）信号，同时保留I²C系统的所有操作模式和特性，允许在I²C应用中连接两个总线电容为400pF的总线。

二、产品特性

多模式支持

支持I²C标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz），能适应不同的通信速率要求。并且，它能够容纳标准模式、快速模式I²C设备以及多个主设备，还支持跨中继器的仲裁和时钟拉伸，确保通信的稳定性。

高兼容性与可靠性

具有5.5V容限的I²C输入、输出和使能输入，支持混合模式信号操作，适用于多种电压环境。其锁存性能超过100mA每JESD 78，Class I，ESD保护超过JESD 22，包括2000V人体模型（A114 - A）和1000V充电设备模型（C101），能有效抵抗静电放电，提高产品的可靠性。

灵活控制

拥有高电平有效的中继器使能输入（EN），内部带有上拉电阻。用户可通过该引脚选择中继器何时处于活动状态，还能在电源复位时隔离故障从设备。不过，在I²C操作期间，切勿改变EN引脚的状态，以免导致总线挂起或使I²C部件混乱，应在全局总线和中继器端口处于空闲状态时改变其状态。

双向电压转换

允许在低电压（低至2.3V）和较高电压（高达5.5V）之间进行双向电压电平转换，包括上转换和下转换，增加了设计的灵活性。

三、应用场景

服务器和路由器

在服务器和路由器（电信交换设备）中，PCA9515B可用于隔离总线电容，实现更长的走线和电缆连接，保障I²C通信的稳定性和可靠性。

工业设备

在工业设备中，面对众多I²C从设备和较长的PCB走线，PCA9515B能有效扩展总线，提高系统性能。

多从设备系统

对于具有多个I²C从设备的产品，PCA9515B可帮助系统设计师在不降低性能的情况下，增加从设备数量，延长走线长度。

四、规格参数

绝对最大额定值

• 电源电压（VCC）： - 0.5V至7V
• 使能输入电压（VI）： - 0.5V至7V
• I²C总线电压（VI/O）： - 0.5V至7V
• 输入钳位电流（IIK）：VI < 0时为 - 50mA
• 输出钳位电流（IOK）：VO < 0时为 - 50mA
• 连续输出电流（IO）：±50mA
• 通过VCC或GND的连续电流：±100mA
• 存储温度（Tstg）： - 65°C至150°C

推荐工作条件

• 电源电压（VCC）：2.3V至3.6V
• SDA和SCL输入高电平电压（VIH）：0.7 × VCC至5.5V
• EN输入高电平电压：2V至5.5V
• SDA和SCL输入低电平电压（VIL）： - 0.5V至0.3 × VCC
• SDA和SCL低电平输入电压竞争（VILc）： - 0.5V至0.4V
• 低电平输出电流（IOL）：VCC = 2.3V或3V时为6mA
• 工作环境温度（TA）： - 40°C至85°C

电气特性

涵盖输入二极管钳位电压（VIK）、低电平输出电压（VOL）、静态电源电流（ICC）、输入电流（I）、泄漏电流（Ioff）、上电期间泄漏电流（Ii(ramp)）、输入电容（Cin）等参数，为电路设计提供详细的电气性能参考。

时序要求

包括使能信号（EN）在起始条件前的建立时间（tsu）和停止条件后的保持时间（th），确保信号的正确传输。

开关特性

如传播延迟时间（tPZL、tPLZ）和输出转换时间（tqHL、tELH）等，不同的负载电阻和电容会改变RC时间常数，从而影响这些参数。

五、设计注意事项

电源供应

需要2.3V至3.6V的电源供应，并建议使用标准去耦电容，电容值通常在0.1µF至1µF之间，具体电容值取决于电源的噪声情况。

PCB布局

遵循常见的PCB布局原则，避免信号走线出现直角，信号走线离开集成电路附近时应相互散开，使用较粗的走线宽度来承载较大电流，如电源和地走线。去耦电容应尽量靠近PCA9515B的VCC引脚。对于高密度信号布线的电路板，4层板是较好的选择，可将信号路由在顶层和底层，一个内层用作接地平面，另一个用作电源平面。

避免串联使用

由于PCA9515B没有方向引脚，使用不同的有效低电压电平来避免每个中继器输入和输出之间的锁定条件，因此两个或多个PCA9515B设备不能串联使用。

满足电压要求

在设计缓冲器时，尤其是在同一节点上使用多个缓冲器/转换器时，必须牢记VOL和VIL要求，避免违反缓冲器的VIL要求，否则会导致I²C通信错误。

六、总结

PCA9515B凭借其丰富的特性、广泛的应用场景和明确的规格参数，为I²C和SMBus应用提供了可靠的解决方案。电子工程师在设计相关电路时，可充分利用其优势，同时注意设计中的各项要点，以实现最佳的系统性能。大家在实际使用PCA9515B的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。