探秘TCA9554A：低电压8位I2C和SMBus I/O扩展器的实用之选

在硬件设计的领域中，I/O扩展器是一种常见且实用的器件，它能够为系统提供额外的输入输出接口，满足各种复杂的应用需求。今天，我们就来深入探讨一款来自德州仪器（TI）的低电压8位I2C和SMBus I/O扩展器——TCA9554A。

文件下载：tca9554a.pdf

一、TCA9554A概述

TCA9554A是一款16引脚的设备，专为I2C总线（或SMBus）协议设计，能为其提供8位的通用并行输入输出（I/O）扩展功能。它的工作电源电压范围为1.65V至5.5V，支持100kHz（标准模式）和400kHz（快速模式）的时钟频率，这使得它在不同的应用场景中都能灵活适配。

二、产品特性亮点

2.1 功能特性丰富

• I2C转并行端口扩展：通过I2C接口，将其转换为并行的I/O端口，方便连接各种外部设备，如开关、传感器、按钮、LED等。
• 开漏低电平中断输出：当输入端口状态发生变化时，会在INT引脚上产生中断信号，可直接连接到微控制器的中断输入，及时通知系统有输入状态改变，无需频繁通过I2C总线进行通信，提高了系统的响应效率。
• 宽电源电压范围：1.65V至5.5V的工作电压范围，使其能够适应不同的电源环境，增加了产品的通用性和兼容性。
• 5V容限I/O端口：I/O端口能够承受5V的电压，这在一些需要与高电压设备接口的应用中非常有用。
• 多设备挂载能力：通过三个硬件地址引脚（A0、A1、A2），允许在同一I2C/SMBus上最多挂载八个TCA9554A设备，方便扩展系统的I/O资源。
• 多种寄存器配置：拥有输入和输出配置寄存器、极性反转寄存器等，可灵活配置I/O端口的工作模式和极性。
• 内部上电复位：在上电时，内部的上电复位功能会将寄存器设置为默认状态，初始化I2C/SMBus状态机，确保设备的稳定启动。
• 低待机电流消耗：在待机模式下，电流消耗极低，有助于降低系统的功耗。
• 高驱动能力输出：输出具有高电流驱动能力，能够直接驱动LED，简化了电路设计。

2.2 可靠的保护机制

• 高闩锁性能：根据JESD 78，Class II标准，闩锁性能超过100mA，提高了产品在复杂环境下的可靠性。
• 优秀的ESD保护：静电放电（ESD）保护超过JESD 22标准，其中人体模型（HBM）达到2000V，充电设备模型（CDM）达到1000V，有效防止静电对设备造成损坏。

三、产品应用领域广泛

TCA9554A的应用场景十分广泛，常见于以下几个领域：

• 服务器和路由器：在服务器和路由器等电信交换设备中，可用于控制和监测各种信号，如风扇转速、状态指示灯等。
• 个人计算机和消费电子：如游戏机等个人电子设备，可用于扩展GPIO接口，连接更多的外设。
• 工业自动化：在工业自动化系统中，可用于控制各种执行器和传感器，实现自动化控制。
• GPIO受限处理器产品：对于一些GPIO资源有限的处理器，TCA9554A可以提供额外的I/O接口，扩展其功能。

四、详细技术解析

4.1 引脚配置与功能

TCA9554A采用16引脚封装，不同引脚具有不同的功能。例如，A0 - A2为地址输入引脚，用于设置设备的I2C地址；INT为中断输出引脚，通过上拉电阻连接到Vcc；P0 - P7为P端口输入输出引脚，上电时默认配置为输入；SCL和SDA分别为串行时钟总线和串行数据总线，需要通过上拉电阻连接到Vcc。

4.2 寄存器映射

TCA9554A包含多个寄存器，用于配置和控制设备的工作状态。

• 输入端口寄存器（Register 0）：反映引脚的输入逻辑电平，无论引脚被配置为输入还是输出，该寄存器在读取操作时才起作用，写入操作无效。
• 输出端口寄存器（Register 1）：显示被配置为输出的引脚的输出逻辑电平，对配置为输入的引脚无效。读取该寄存器时，反映的是控制输出选择的触发器的值，而非实际引脚值。
• 极性反转寄存器（Register 2）：允许对被配置为输入的引脚进行极性反转。当寄存器中的某一位被置为1时，对应的端口引脚极性反转；置为0时，保持原极性。
• 配置寄存器（Register 3）：用于配置I/O引脚的方向。当某一位被置为1时，对应的端口引脚被配置为高阻抗输入；置为0时，配置为输出。

4.3 I2C接口通信

TCA9554A通过I2C接口与系统进行通信。I2C通信的开始由主机发送起始条件，随后发送设备地址字节，包括数据方向位（R/W）。设备收到有效地址字节后，会响应一个确认（ACK）信号。在通信过程中，每个时钟脉冲传输一位数据，数据在时钟周期的高脉冲期间必须保持稳定。通信结束时，主机发送停止条件。

4.4 编程操作

• 写入操作：主机发送起始条件和设备地址（R/W位为0），然后发送要写入的寄存器地址，设备确认后，主机开始发送寄存器数据，最后发送停止条件。
• 读取操作：主机先发送设备地址（R/W位为0）和命令字节，确定要访问的寄存器。之后重新发送起始条件和设备地址（R/W位为1），设备将指定寄存器的数据发送给主机。

五、应用设计要点

5.1 典型应用设计

在典型应用中，TCA9554A作为I2C总线的从设备连接到主处理器。例如，在一个具体的应用示例中，SCL和SDA引脚直接连接到Vcc，设备地址配置为0111000，P0、P2和P3配置为输出，用于控制LED等设备；P1、P4和P5配置为输入，用于读取外部信号；P6和P7未使用，内部有100kΩ上拉电阻，防止引脚浮空。

5.2 设计计算与注意事项

• 结温与功耗计算：在设计过程中，需要计算设备的结温以确保其在安全的工作范围内。结温计算公式为$T{j}=T{A}+(theta{JA} × P{d})$，其中$P_{d}$为设备的总功耗，近似为静态功耗加上各端口的功耗之和。不同端口的功耗根据其输出状态（高或低）采用不同的计算公式。
• 降低ICC的方法：当I/O端口用于控制LED时，为了降低电流消耗（ICC），可以采用高值电阻与LED并联，或者使Vcc低于LED供电电压至少一个阈值电压（$V_{T}$）的方法，保持I/O端口电压大于或等于Vcc，避免额外的供电电流消耗。
• 上拉电阻选择：SCL和SDA线的上拉电阻（$R{P}$）需要根据$V{CC}$、$V{OL(max)}$、$I{OL}$以及总线电容（$C{b}$）等因素进行选择。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$R{p(max)}=frac{t{r}}{0.8473 × C{b}}$。同时，I2C总线的最大电容在标准模式或快速模式下不得超过400pF。

六、电源与布局建议

6.1 电源建议

TCA9554A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，在这个过程中，需要注意电源的跌落速率、上升速率以及电压的波动范围等参数。例如，在一些特定情况下，电源的跌落速率和上升速率需要在一定的范围内，电压的波动不能超过规定的阈值，否则可能会影响设备的正常工作。

6.2 布局建议

在PCB布局方面，应遵循常见的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分散开，使用较粗的走线来传输较大的电流，如电源和地走线。同时，旁路和去耦电容应尽可能靠近TCA9554A放置，以控制VCC引脚的电压。对于信号密度较高的电路板，建议采用4层板布局，将信号走线分布在顶层和底层，中间层分别作为电源层和接地层。

七、总结

TCA9554A作为一款功能强大的I/O扩展器，具有丰富的特性、广泛的应用领域和可靠的性能。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的需求，合理配置寄存器、选择合适的硬件连接方式，并注意电源和布局设计，以确保设备的稳定运行和系统的高效性能。通过对TCA9554A的深入了解和正确应用，能够为各种硬件设计项目提供有效的解决方案。你在使用类似I/O扩展器的过程中，有没有遇到过什么独特的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。