TCA9535低电压16位I²C和SMBus低功耗I/O扩展器：特性、应用与设计要点

引言

在电子设计领域，I/O扩展器是一种常见且重要的器件，它可以为系统提供更多的通用输入输出接口，以满足各种复杂应用的需求。TCA9535作为一款低电压16位I²C和SMBus低功耗I/O扩展器，具有诸多出色的特性和广泛的应用场景。本文将详细介绍TCA9535的特性、应用以及在设计过程中需要注意的要点，希望能为电子工程师们在实际项目中提供有价值的参考。

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一、TCA9535概述

TCA9535是一款24引脚的器件，专为I²C总线或SMBus协议设计，可提供16位的通用并行输入输出（I/O）扩展功能。它的电源电压范围为1.65 V至5.5 V，具有低待机电流消耗、开漏有源低电平中断输出、5 V耐受I/O端口以及支持400 kHz的快速I²C总线等特点。与TCA9555相比，TCA9535不包含内部I/O上拉电阻，在I/O引脚配置为输入且未驱动时，需要在未使用的I/O引脚上添加上下拉电阻。

1.1 主要特性

• 宽电源电压范围：支持1.65 V至5.5 V的电源电压，能适应不同的供电环境。
• 低功耗：具有低待机电流消耗，有助于降低系统整体功耗。
• 中断输出：开漏有源低电平中断输出，可用于向系统控制器指示输入状态的变化。
• 5 V耐受I/O端口：允许与多种设备连接，增强了器件的通用性。
• 高电流驱动能力：输出具有高电流驱动能力，可直接驱动LED。
• ESD保护：静电放电保护超过JESD 22标准，包括2000 V人体模型（A114 - A）和1000 V带电器件模型（C101）。

1.2 应用领域

TCA9535的应用十分广泛，包括但不限于以下领域：

• 服务器和路由器：用于扩展I/O接口，满足设备对更多输入输出的需求。
• 个人计算机：可用于控制LED指示灯、读取按键状态等。
• 个人电子设备：如游戏机等，实现对各种外设的控制。
• 工业自动化：为GPIO受限的处理器提供额外的I/O扩展。

二、详细规格与特性

2.1 绝对最大额定值

在使用TCA9535时，需要注意其绝对最大额定值，超出这些范围可能会导致器件永久性损坏。例如，电源电压（VCC）的范围为 - 0.5 V至6 V，输入电压（VI）和输出电压（VO）同样为 - 0.5 V至6 V，连续输出低电流（IOL）最大为50 mA等。

2.2 ESD评级

TCA9535具有良好的静电放电保护能力，人体模型（HBM）的ESD评级为±2000 V，带电器件模型（CDM）的ESD评级为±1000 V。在实际操作中，仍需注意采取适当的静电防护措施，以避免器件受到损坏。

2.3 推荐工作条件

推荐的电源电压范围为1.65 V至5.5 V，在不同的工作温度下，对输入输出电压和电流也有相应的要求。例如，高电平输入电压（VIH）为0.7 × VCC至VCC，高电平输出电流（IOH）在不同的结温下有不同的限制。

2.4 热信息

不同封装的TCA9535在热性能方面有所差异，如TSSOP、SSOP、WQFN和VQFN封装的器件，其结到环境的热阻（ReJA）、结到外壳（顶部）的热阻（Reuc(top)）等参数各不相同。在设计中，需要根据实际情况考虑器件的散热问题，以确保其正常工作。

2.5 电气特性

TCA9535的电气特性包括输入二极管钳位电压（VIK）、上电复位电压（VPORR和VPORF）、P端口高电平输出电压（VoH）等。这些参数在不同的电源电压和测试条件下有具体的数值范围，工程师在设计时需要根据实际需求进行选择。

2.6 I²C接口时序要求

TCA9535支持标准模式和快速模式的I²C总线，不同模式下对时钟频率、时钟高时间、时钟低时间、数据建立时间等时序参数有不同的要求。例如，标准模式下I²C时钟频率为0至100 kHz，快速模式下为0至400 kHz。在设计I²C接口时，必须严格满足这些时序要求，以确保数据传输的准确性和稳定性。

2.7 开关特性

开关特性描述了器件在输入输出状态转换时的时间参数，如中断有效时间（tiv）、中断复位延迟时间（tr）、输出数据有效时间（tpv）等。这些参数对于系统的实时性和响应速度有重要影响。

2.8 典型特性

文档中还给出了TCA9535在不同温度和电源电压下的典型特性曲线，如电源电流与温度、待机电源电流与温度、I/O灌电流与输出低电压等关系。这些曲线可以帮助工程师更好地了解器件的性能特点，为电路设计提供参考。

三、功能描述与工作模式

3.1 功能概述

TCA9535包含两个8位的配置寄存器、输入端口寄存器、输出端口寄存器和极性反转寄存器。在上电时，I/O引脚默认配置为输入状态。系统控制器可以通过写入I/O配置寄存器位来将I/O引脚启用为输入或输出。输入端口寄存器反映了引脚的实际逻辑电平，输出端口寄存器控制引脚的输出逻辑电平，极性反转寄存器可以对输入引脚的极性进行反转。

3.2 中断输出功能

当任何输入状态与其对应的输入端口寄存器状态不同时，TCA9535的开漏中断（INT）输出将被激活。INT可以连接到微控制器的中断输入，以便在I/O端口状态发生变化时及时通知微控制器，而无需通过I²C总线进行通信。需要注意的是，INT输出需要连接一个上拉电阻到VCC，通常阻值约为10 kΩ。

3.3 硬件地址引脚

TCA9535具有3个硬件地址引脚（A0、A1和A2），用户可以通过将这些引脚拉到VCC或GND来选择器件的I²C地址。这样，最多可以有8个TCA9535设备共享同一I²C总线或SMBus而不会发生地址冲突。在器件通电期间，地址引脚的电压不能改变，以防止I²C传输过程中出现故障。

3.4 设备功能模式

• 上电复位（POR）：当电源施加到VCC时，内部上电复位电路会将TCA9535保持在复位状态，直到VCC达到VPORR。此时，复位条件解除，器件的寄存器和I²C - SMBus状态机将初始化为默认状态。要进行一次电源复位循环，需要将VCC降低到VPORF以下，然后再恢复到工作电压。
• 上电后：当VCC高于工作电压且上电复位完成后，器件进入正常工作模式。此时，它可以接收任何传入的I²C请求，并监控输入端口的状态变化。

四、编程与寄存器操作

4.1 I²C接口

TCA9535具有标准的双向I²C接口，由控制器设备控制以配置或读取器件的状态。I²C接口由串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线组成，这两条线都需要通过上拉电阻连接到VCC。数据传输只能在总线空闲时启动，即SDA和SCL线在停止条件后都为高电平。

4.2 总线事务

• 写入操作：控制器要向TCA9535写入数据时，首先发送起始条件和目标地址，将R/W位设置为0表示写入。目标设备响应确认位后，控制器发送要写入的寄存器地址，再次得到确认后，开始发送数据，最后以停止条件结束传输。
• 读取操作：读取操作与写入操作类似，但需要额外的步骤。控制器首先发送起始条件和目标地址，R/W位为0，并发送要读取的寄存器地址。得到确认后，再次发送起始条件，将R/W位设置为1表示读取。目标设备确认读取请求后，控制器释放SDA总线，开始接收数据，每接收一个字节发送一个确认位，直到接收完所需的数据后发送一个非确认位，最后以停止条件结束传输。

4.3 设备地址

TCA9535的设备地址由硬件地址引脚（A0、A1和A2）决定，共有8种可能的地址。设备地址的最后一位定义了操作类型，高电平（1）表示读取操作，低电平（0）表示写入操作。

4.4 控制寄存器和命令字节

在成功确认地址字节后，总线控制器会发送一个命令字节，该字节存储在TCA9535的控制寄存器中。命令字节的三位指定了操作类型（读取或写入）和受影响的内部寄存器（输入、输出、极性反转或配置）。通过I²C总线可以对控制寄存器进行读写操作。

4.5 寄存器映射

• 输入端口寄存器：反映引脚的实际逻辑电平，只读，写入操作无效。
• 输出端口寄存器：控制引脚的输出逻辑电平，对定义为输入的引脚无效。
• 极性反转寄存器：可以对定义为输入的引脚的极性进行反转。
• 配置寄存器：用于配置I/O引脚的方向，置为1表示输入，置为0表示输出。

五、应用与设计要点

5.1 应用信息

TCA9535通常作为目标设备连接到I²C控制器（处理器），I²C总线上可以包含任意数量的其他目标设备。它常用于控制LED、控制其他设备的使能或复位信号、读取其他设备或按钮的输出等场景。

5.2 典型应用示例

文档中给出了一个典型的应用原理图，展示了TCA9535的具体连接方式和引脚配置。在这个示例中，部分引脚配置为输出，用于控制外部设备，部分引脚配置为输入，用于监测外部信号。

5.3 设计要求与注意事项

• 参数限制：在设计过程中，需要确保不违反器件的各项参数限制，如I²C和子系统电压（Vcc）、输出电流额定值、I²C总线时钟速度等。
• 结温计算：许多器件参数是基于结温进行评级的，因此需要计算结温以确保器件在安全的工作范围内。计算公式为 $T{j}=T{A}+left(theta{JA} × P{d}right)$，其中 $T{j}$ 是结温，$T{A}$ 是环境温度，$theta{JA}$ 是结到环境的热阻，$P{d}$ 是器件的总功耗。
• 最小化ICC：当使用I/O引脚控制LED时，为了最小化电流消耗，需要确保LED关闭时I/O引脚的电压大于或等于VCC。可以采用在LED上并联高值电阻或使VCC低于LED电源电压等方法来实现。
• 上拉电阻选择：SCL和SDA线的上拉电阻需要根据I²C总线上所有目标设备的总电容进行合理选择。最小上拉电阻取决于VCC、$V{OL,(max)}$ 和 $I{OL}$，最大上拉电阻取决于最大上升时间和总线电容。

六、电源供应与布局建议

6.1 电源供应

在电源出现毛刺或数据损坏的情况下，可以使用上电复位功能将TCA9535重置为默认状态。上电复位需要器件经历一次电源循环，即VCC降低到一定阈值以下再恢复到工作电压。文档中给出了两种上电复位的方式以及相应的性能参数，如下降速率、上升速率、重新上升时间等。同时，电源供应中的毛刺会影响上电复位性能，毛刺宽度和高度相互关联，旁路电容、源阻抗和器件阻抗等因素也会对其产生影响。

6.2 布局建议

在进行印刷电路板（PCB）布局时，应遵循常见的PCB布局原则，如避免信号走线出现直角、将信号走线从集成电路附近分散开、使用较粗的走线来承载较大的电流等。对于VCC引脚，通常使用旁路电容和去耦电容来稳定电压，这些电容应尽可能靠近TCA9535放置。在布局层数方面，对于信号布线密度较低的电路板，可以使用两层板，顶层用于信号路由，底层作为电源和地的分割平面；对于信号布线密度较高的电路板，建议使用四层板，将信号路由在顶层和底层，中间两层分别作为地平面和电源平面。

七、总结

TCA9535作为一款功能强大的低电压16位I²C和SMBus低功耗I/O扩展器，具有宽电源电压范围、低功耗、中断输出等诸多优点，适用于多种应用场景。在实际设计过程中，电子工程师需要充分了解其各项规格、特性和工作模式，严格遵循设计要求和布局建议，合理选择上拉电阻、计算结温等，以确保器件的正常工作和系统的稳定性。同时，要注意静电防护，避免器件受到ESD损坏。希望本文能为工程师们在使用TCA9535进行设计时提供有益的帮助。你在实际应用中使用过TCA9535吗？遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。