探索P3A1604UK 4位双电源转换收发器：特性、应用与设计要点

在电子设备设计中，电压转换是一个常见且关键的问题。不同的元件和电路可能需要不同的电压来工作，这就需要可靠的电压转换解决方案。NXP Semiconductors的P3A1604UK 4位双电源转换收发器，凭借其独特的特性和广泛的应用范围，成为了电子工程师在设计中的一个有力选择。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

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一、产品概述

P3A1604UK是一款具备自动方向感应功能的4位双电源转换收发器，能够实现双向电压电平转换。它拥有四个1位输入输出端口（A和B）、一个输出使能输入（OE）以及两个电源引脚（$VCCA$ 和 $VCCB$）。$VCCA$ 可在0.72V至1.98V之间的任意电压下供电，$VCCB$ 则可在1.62V至3.63V之间的电压下供电。这种宽电压范围的设计，使得该器件非常适合在不同电压节点（如0.8V、1.2V、1.8V、2.5V和3.3V）之间进行转换。引脚A和OE参考$VCCA$ ，引脚B参考$VCCB$ 。当引脚OE为低电平时，输出将进入高阻抗关断状态。

二、特性与优势

1. 自动方向感应与双向电压转换

自动方向感应功能使得数据在A和B端口之间的传输方向能够自动确定，无需额外的控制信号，大大简化了设计过程。双向电压转换能力则允许在不同电压系统之间实现无缝通信。

2. 宽电源电压范围

$VCCA$ 和 $VCCB$ 的宽电压范围为设计带来了极大的灵活性，能够适应各种不同的电源电压要求。

3. 无需电源排序

在电源上电过程中，不需要特定的电源排序，$VCCA$ 和 $VCCB$ 可以任意顺序上电，且即使 $VCCA ≥V_{CCB}$ 也不会损坏器件，这在实际应用中非常方便。

4. 高数据速率

不同驱动模式下具有较高的数据速率。开漏模式下，每位最大数据速率（DDR）可达6.8 Mbit/s（3.4 MHz）；推挽模式下，可达40 Mbit/s（20 MHz），能够满足高速数据传输的需求。

5. 多接口支持

支持I3C、I2C、SMBus、SPI和UART等多种接口，适用于各种不同类型的通信协议。

6. 长单脉冲驱动

具备较长的单脉冲，可用于驱动较大的容性负载，同时能有效减少振铃和过冲现象，保证信号的稳定性。

7. 高电压输入兼容性

A侧和OE输入可接受高达1.98V的电压，B侧输入可接受高达3.63V的电压，增强了与不同电压设备的兼容性。

8. 静电放电（ESD）保护

在人体模型（HBM）JESD22 - A114E Class 2中，ESD保护超过2000V；在带电设备模型（CDM）JESD22 - C101E中，超过500V，提高了器件的可靠性和抗干扰能力。

9. 封装小巧

采用WLCSP12封装（1.405 mm x 1.055 mm，0.35 mm间距），适合对空间要求较高的应用。

10. 宽温度范围

工作温度范围从 -40°C到 +125°C，可适应各种恶劣的工作环境。

三、应用领域

P3A1604UK的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：

1. 移动设备

在移动设备中，不同的芯片和模块可能需要不同的电压，P3A1604UK可以实现这些不同电压之间的转换，确保设备的正常运行。

2. 通信接口

如I3C、I2C、SMBus、SPI和UART等接口，可用于不同设备之间的通信，实现数据的可靠传输。

3. 服务器

在服务器的设计中，需要进行大量的数据处理和传输，P3A1604UK可以在不同的电压系统之间进行转换，保证服务器的稳定运行。

四、订购信息

1. 订购型号

订购型号为P3A1604UK，对于工程样品，顶面标记为“X4”；对于生产产品，顶面标记为“4U”，采用WLCSP12封装（晶圆级芯片封装，12个焊球，间距0.35mm，尺寸为1.405 mm x 1.055 mm）。

2. 订购选项

可订购的部件编号为P3A1604UKAZ，采用7"卷轴包装（q1/t1 * 特殊标记芯片dp），最小订购数量为4400件，工作温度范围为 -40°C到 +125°C。

五、功能描述

1. 架构

P3A1604UK采用“开关”型电压转换器架构，通过两个关键电路实现电压转换：一个是将端口连接在一起的传输门晶体管（N沟道），另一个是输出边沿速率单脉冲加速器，用于检测和加速I/O引脚上的上升沿和下降沿。该架构不需要额外的输入信号来控制数据从A到B或从B到A的流向。

2. 输入驱动要求

由于P3A1604UK是开关型转换器，输入驱动器的特性直接影响输出信号。外部开漏或推挽驱动器应用于I/O时，决定了系统的静态电流吸收能力。最大数据速率、高到低输出转换时间（$t{THL}$）和传播延迟（$t{PHL}$）取决于外部驱动器的输出阻抗和边沿速率。数据手册中提供的参数限制假设使用输出阻抗低于50Ω的驱动器。

3. 输出负载考虑

可驱动的最大集总电容负载取决于单脉冲持续时间。在容性负载较重的情况下，输出可能在单脉冲持续时间内无法达到正电源轨。P3A1604UK具有较长的单脉冲，可用于驱动较大的容性负载。为避免过大的容性负载并确保单脉冲的正确触发，在PCB布局中应使用较短的走线长度和低电容连接器。PCB走线长度应使得任何反射的往返延迟在单脉冲持续时间内（约10 ns最小到30 ns最大），以确保低阻抗终端，避免输出信号振荡和单脉冲重触发。必要时，建议在信号路径上使用串联电阻。

4. 上电过程

在正常工作期间，$VCCA$ 绝不能高于 $VCCB$。但在上电过程中，$VCCA ≥V_{CCB}$ 不会损坏器件，因此两个电源可以任意顺序上电。$VCCB$ 达到稳压电压后，内部电路最多需要50μs进行正确设置；$VCCA$ 达到稳压电压后，最多需要4μs。不需要特殊的上电顺序，当 $VCCA$ 或 $VCCB$ 关闭时，P3A1604UK 包含的电路会禁用所有输出端口。

5. 使能与禁用

通过输出使能输入（OE）来启用或禁用器件，OE参考$VCCA$ 。将OE设置为低电平会使所有I/O进入高阻抗关断状态。禁用时间（$t{dis}$）表示OE变为低电平到输出实际禁用之间的延迟；启用时间（$t{en}$）表示OE变为高电平后，单脉冲电路达到可操作状态所需的时间。在 $t_{en}$ （最大3μs）之前，应忽略I/O状态。为确保在上电或断电期间处于高阻抗关断状态，引脚OE应通过下拉电阻连接到地。驱动器的电流源能力决定了电阻的最小值。

6. I/O线上的上拉或下拉电阻

A端口的I/O具有一个内部10 kΩ的上拉电阻连接到 $VCCA$，B端口的I/O具有一个内部10 kΩ的上拉电阻连接到 $VCCB$。如果需要更小的上拉电阻值，可以在内部10 kΩ电阻上并联一个外部电阻。上拉电阻会影响VOL电平。当OE变为低电平时，P3A1604UK的内部上拉电阻将被禁用。对于开漏信号，A侧或B侧的I/O引脚至少需要一个上拉电阻。不建议使用下拉电阻，以避免I/O逻辑电平错误。

六、应用信息

1. 典型应用

P3A1604UK可用于点对点应用，在不同电源电压下工作的设备或系统之间进行接口。它支持开漏和推挽接口，如I3C、I2C、SMBus、SPI和UART。在典型应用电路中，$VCCA$ 范围为0.72V至1.98V，$VCCB$ 范围为1.62V至3.63V。如果PCB走线长度过长（>30 cm）或寄生阻抗过大，I/O信号可能会出现过冲、下冲或振荡现象。建议在每个I/O引脚添加一个串联电阻Rs（推荐值为30Ω），以减少过冲/下冲并避免振荡。需要根据不同的线长和PCB寄生R/L/C调整Rs的值，以优化信号完整性，并确保Rs不会过高影响VOL电平。

2. 架构细节

P3A1604UK的架构设计适用于推挽和开漏模式。它采用边沿速率加速器电路（用于高到低和低到高转换）、N沟道传输门晶体管和上拉电阻（提供直流偏置和驱动能力）来满足要求。该设计无方向限制，不需要方向控制信号，支持低速开漏操作和高速推挽操作。N沟道传输器件T5仅在低输入周期导通，在高输入周期关断。在数据从A端口传输时，上升沿且A端口电压 = $V_{IH}$ 时，PMOS晶体管T1和T2分别由OS1和OS2单脉冲短暂导通，以减少低到高的转换时间。T1的导通时间约为10 ns，T2的导通时间约为10 ns最小到30 ns最大，具体取决于B侧的负载电容（CLB）。同理，在下降沿且电压 = $VIL$ 时，OS3和OS4单脉冲使N沟道晶体管T3和T4短暂导通，加速高到低的转换。数据从B端口传输时情况类似。内部上拉电阻RupA和RupB的典型值为10 kΩ，分别由开关S1和S2控制。开关S1和S2由各自的输入信号和OE控制。只有当输入信号为高且OE启用时，上拉电阻才会连接；当输入信号为低或OE输入信号为低时，上拉电阻将断开。对于推挽应用，不需要外部上拉电阻，因为至少有一侧被驱动为明确的高或低电平。对于开漏应用，至少需要一个外部上拉电阻将信号从低电平拉到高电平，外部上拉电阻可以位于A侧或B侧。上升时间可以用Rup_ext x (CLA + CLB) + 单脉冲时间（约10 ns）来估计，其中Rup_ext是外部上拉电阻，CLA是A侧的总负载电容，CLB是B侧的总负载电容。

七、电气特性

1. 极限值

在绝对最大额定系统（IEC 60134）规定下，$VCCA$ 范围为 -0.5V至 +2.5V，$VCCB$ 范围为 -0.5V至 +4.2V，A端口和OE输入的输入电压范围为 -0.5V至 +2.5V，B端口为 -0.5V至 +4.2V。输出电压在不同模式下也有相应限制，存储温度范围为 -65°C至 +150°C。

2. 热特性

结到环境的热阻（$ROJA$）为77.9 °C/W，结到顶部的热阻为9.3 °C/W。这些热阻数据是在JEDEC JESD51 - 2A自然对流环境下确定的，仅用于在标准化指定环境中对不同封装的热性能进行比较，并非用于预测特定应用环境中的封装性能。

3. 推荐工作条件

推荐的$VCCA$ 范围为0.72V至1.98V，$VCCB$ 范围为1.62V至3.63V，OE输入电压范围为 -0.3V至 $VCCA$ + 0.3V，环境温度范围为 -40°C至 +125°C，结温范围为 -40°C至 +125°C，输入转换上升和下降速率在A或B端口推挽驱动时为10 ns/V。

4. 静态特性

在推荐工作条件下，不同端口的高电平输入电压（$VIH$）、低电平输入电压（$VIL$）、高电平输出电压（$VoH$）、低电平输出电压（$VoL$）、输入泄漏电流（$I{I}$）、关断状态输出电流（$I{OZ}$）和电源电流（$I_{CC}$）等参数都有明确的规定。

5. 动态特性

在 -40°C至 +125°C的温度范围内，不同电源电压下，数据从A到B和从B到A的高到低传播延迟（$t{PHL}$）、低到高传播延迟（$t{PLH}$）、启用时间（$t{en}$）、禁用时间（$t{dis}$）、输出转换时间（$t{TLH}$、$t{THL}$）、输出偏斜时间（$t{sk(0)}$）、脉冲宽度（$t{w}$）和数据速率（$f_{data}$）等动态参数也有详细说明。

八、封装与焊接

1. 封装

采用WLCSP12封装（SOT2063 - 4），尺寸为1.405 mm x 1.055 mm，焊球间距为0.35 mm，背面有涂层。在封装设计中，需要注意所有尺寸单位为毫米，尺寸标注和公差符合ASME Y14.5M - 1994标准，引脚A1的特征形状、尺寸和位置可能会有所不同，最大焊球直径平行于基准C测量，基准C（座面）由焊球的球形冠确定，背面涂层厚度为0.025mm。

2. 焊接

文档提供了焊接焊盘图案、I/O焊盘和可焊接区域、焊膏钢网等方面的设计指南，但这些仅作为开发用户特定解决方案的参考，最终用户仍需要进行开发工作，以优化PCB安装工艺和电路板设计，满足个人或特定要求。

九、总结

P3A1604UK 4位双电源转换收发器以其丰富的特性、广泛的应用范围和良好的电气性能，为电子工程师在电压转换设计中提供了一个可靠的选择。在实际应用中，工程师需要根据具体的设计需求，合理选择电源电压、输入输出驱动方式、上拉电阻等参数，同时注意PCB布局和焊接工艺，以确保器件的性能和可靠性。你在使用类似的电压转换器件时，遇到过哪些挑战和解决方案呢？欢迎在评论区分享你的经验。