深入解析 TCA9539：低电压 16 位 I2C 和 SMBus I/O 扩展器

在电子设计的广阔领域中，I/O 扩展器是一款关键的小工具。它能够为系统提供更多的输入输出接口，让设计更加灵活多变。TI 公司的 TCA9539 就是这样一款备受关注的 I/O 扩展器，它为各种应用场景提供了出色的解决方案。接下来，我们就一起深入了解一下 TCA9539 这款芯片。

文件下载：tca9539.pdf

核心特性亮点

接口扩展能力出色

TCA9539 是一款功能强大的 I2C 转并行端口扩展器，可在 I2C 或 SMBus 协议的双线双向总线上为系统提供 16 位通用并行输入输出 （I/O）扩展功能。这种设计使得在需要额外 I/O 的场景下，如连接开关、传感器、按钮、LED 和风扇等设备时，变得轻而易举。比如在一个智能家庭控制系统中，我们可以通过 TCA9539 扩展更多的传感器接口，实现对更多环境参数的监测。

低功耗设计

TCA9539 的低功耗特性在众多应用中具有显著优势。它具有低待机电流消耗，这对于电池供电的设备来说至关重要，可以有效延长设备的续航时间。例如在一些便携式医疗设备中，低功耗的 I/O 扩展器能够减少电池的消耗，提高设备的使用时长。

丰富的功能特性

• 中断输出：其开漏式低电平有效中断输出（INT）功能十分实用。当任何输入端口的状态发生变化时，INT 引脚会产生中断信号，及时通知系统主设备。在工业自动化场景中，当传感器检测到异常情况时，通过 INT 引脚可以迅速将信息反馈给主控制器，以便及时采取措施。
• 复位输入：低电平有效复位输入（RESET）引脚为系统的稳定性提供了保障。在系统出现异常时，可以通过该引脚将设备复位到默认状态，确保系统的正常运行。
• 5 - V 容限 I/O 端口：该特性使得 TCA9539 能够与多种不同电压的设备兼容，增强了其在不同系统中的适用性。
• 内部上电复位：内部上电复位功能保证了在电源开启时，设备能够自动初始化到默认状态，并且不会出现上电毛刺现象，同时在 SCL 和 SDA 输入上还配备了噪声滤波器，提高了信号的稳定性。
• 高驱动能力：其锁存输出具有高电流驱动能力，可直接驱动 LED，简化了电路设计。

电气特性与保护机制

TCA9539 的闩锁性能超过了 JESD 78 Class II 标准，每通道可达 100 mA，同时具备出色的 ESD 保护能力，人体模型（HBM）可达 2000 V，充电设备模型（CDM）可达 1000 V，这大大提高了芯片在复杂环境下的可靠性。

应用场景广泛

通信与计算领域

在服务器、路由器等电信交换设备以及个人电脑和智能手机中，TCA9539 可以用于扩展 GPIO 接口，实现对设备的各种控制和状态监测。比如在路由器中，通过 TCA9539 扩展 I/O 接口，可以方便地连接更多的状态指示灯和按键，提高用户的操作体验。

工业自动化领域

在工业自动化系统里，TCA9539 可用于连接各种传感器和执行器，实现对生产过程的精确控制。例如，在自动化流水线上，通过 TCA9539 连接多个传感器，实时监测生产线上的物料状态和设备运行情况，确保生产过程的顺利进行。

技术细节剖析

工作电压与频率

TCA9539 能够在 1.65 V 至 5.5 V 的电源电压范围内稳定工作，支持 100 - kHz（I²C 标准模式）和 400 - kHz（I²C 快速模式）的时钟频率，这使得它在不同的电源环境和系统要求下都能正常工作。

引脚配置与功能

TCA9539 有多种封装形式，如 TSSOP（24）、WQFN（24）和 VQFN（24）。其引脚功能丰富，包括地址输入引脚（A0 和 A1）、接地引脚（GND）、中断输出引脚（INT）、复位输入引脚（RESET）、I/O 端口（P00 - P07 和 P10 - P17）、串行时钟总线引脚（SCL）、串行数据总线引脚（SDA）以及电源电压引脚（VCC）。通过 A0 和 A1 两个硬件地址引脚，可以对设备进行地址设置，最多可在同一 I2C 总线上使用四个 TCA9539 设备。

寄存器配置

TCA9539 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。在设备上电时，所有 I/O 端口默认配置为输入模式。系统主设备可以通过向 I/O 配置寄存器写入相应的位来将 I/O 端口配置为输入或输出模式。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着引脚的输出逻辑电平，极性反转寄存器则可以对输入端口的极性进行反转。

I2C 接口通信

TCA9539 采用标准的双向 I2C 接口，由主设备进行控制。主设备通过发送起始条件、地址字节和命令字节来访问设备的内部寄存器，实现数据的读写操作。在进行数据传输时，需要注意 I2C 总线的时序要求，例如时钟频率、时钟高时间、时钟低时间等参数，以确保数据传输的准确性。

设计注意事项

功耗计算

在进行系统设计时，需要考虑 TCA9539 的功耗问题。要根据具体的应用场景，计算出设备的总功耗，确保系统在安全的功耗范围内运行。例如，在计算端口功耗时，要考虑端口输出高电平和低电平时的不同功耗情况。

电源管理

对于电源的稳定性和上电复位要求是设计中不可忽视的环节。要确保电源的波动在允许范围内，避免因电源问题导致设备出现异常。同时，要注意上电复位的时序要求，确保设备能够正确初始化。例如，在电源电压下降到 VPORF 以下再上升到工作电压时，设备会进行一次上电复位操作。

布局设计

在 PCB 布局时，要遵循一定的原则。避免信号走线出现直角，适当增加走线宽度以承载较大电流，合理放置旁路和去耦电容，以保证电源的稳定性。对于多层 PCB 设计，可以将信号层、电源层和接地层进行合理分配，提高系统的抗干扰能力。

TCA9539 凭借其丰富的功能、出色的性能和广泛的应用场景，成为电子设计中一款非常实用的 I/O 扩展器。在实际应用中，我们需要深入了解其技术细节，注意设计过程中的各种问题，以充分发挥其优势，为我们的电子系统设计带来更多的便利和可能性。大家在使用 TCA9539 进行设计时，有没有遇到过什么有趣的挑战呢？欢迎在评论区分享。