TCA9555：低电压16位I²C和SMBus I/O扩展器的全面解析

在电子设计领域，I/O扩展器是一种常见且实用的器件，它能为微控制器提供更多的输入输出端口，满足复杂系统的需求。TCA9555作为一款低电压16位I²C和SMBus I/O扩展器，具有诸多优秀特性，下面我们就来详细了解一下。

文件下载：tca9555.pdf

一、产品概述

TCA9555专为1.65 - 5.5V的VCC电压范围设计，可通过I²C接口为大多数微控制器家族提供通用的远程I/O扩展功能。它具有低待机电流消耗（最大3.5μA）、5V容限I/O端口、开漏有源低电平中断输出等特点，能兼容大多数微控制器，支持400kHz的快速I²C总线。

二、产品特性

2.1 低功耗设计

TCA9555的低待机电流消耗特性使其在对功耗要求较高的应用场景中表现出色。最大3.5μA的待机电流，能有效降低系统的整体功耗，延长电池供电设备的续航时间。

2.2 高兼容性

它与大多数微控制器兼容，并且支持400kHz的快速I²C总线，能实现高速的数据传输，满足不同系统的通信需求。

2.3 灵活的配置

该器件包含两个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被配置为输入，系统主设备可以通过写入I/O配置位将I/O设置为输入或输出。同时，输入端口寄存器的极性可以通过极性反转寄存器进行反转，为设计带来了更多的灵活性。

2.4 中断输出功能

TCA9555的开漏有源低电平中断输出可以连接到微控制器的中断输入，当端口输入发生上升或下降沿变化时，会产生中断信号，让微控制器及时了解端口状态的变化，无需通过I²C总线进行频繁通信。

三、引脚配置与功能

TCA9555有多种封装形式，如TSSOP (24) PW、SSOP (24) DB、WQFN (24) RTW和VQFN(24) RGE。其引脚功能丰富，包括地址输入引脚（A0、A1、A2）、接地引脚（GND）、中断输出引脚（INT）、I/O端口引脚（P00 - P17）、串行时钟总线引脚（SCL）、串行数据总线引脚（SDA）和电源引脚（VCC）等。

3.1 地址输入引脚

A0、A1、A2这三个引脚用于配置设备的I²C地址，通过将它们直接连接到VCC或地，可以实现最多8个TCA9555设备在同一总线上的无冲突通信。

3.2 中断输出引脚

INT引脚为开漏输出，需要通过上拉电阻连接到VCC。当端口输入发生变化时，经过时间tiv后，INT信号有效。通过读取端口数据或改变端口数据可以重置中断电路。

四、电气特性

4.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。TCA9555的VCC、输入电压、输出电压等参数都有明确的最大和最小值限制，超出这些范围可能会导致器件损坏。

4.2 ESD额定值

该器件具有良好的ESD保护性能，人体模型（HBM）的ESD额定值为+2000V，带电设备模型（CDM）的ESD额定值为+1000V，能有效防止静电对器件造成损坏。

4.3 推荐工作条件

在实际应用中，需要遵循推荐工作条件来使用TCA9555，以确保其性能的稳定性。包括VCC电压范围、温度范围等参数都有明确的要求。

4.4 电气参数

如输入二极管钳位电压、电源复位电压、输出高低电平电压、输入输出电流等参数，都在文档中有详细的测试条件和数值范围，为设计提供了准确的数据支持。

五、编程与操作

5.1 I/O端口配置

通过写入配置寄存器，可以将I/O端口设置为输入或输出。当配置为输入时，FETs Q1和Q2关闭，形成高阻抗输入；当配置为输出时，Q1或Q2根据输出端口寄存器的状态启用，形成低阻抗路径。

5.2 I²C接口通信

TCA9555通过标准的双向I²C接口与主设备进行通信。主设备通过发送START条件、设备地址、寄存器地址和数据来实现对TCA9555的配置和数据读取。数据传输分为写操作和读操作，写操作时，主设备发送数据到TCA9555的寄存器；读操作时，主设备先指定要读取的寄存器地址，然后接收TCA9555发送的数据。

六、应用与设计

6.1 应用场景

TCA9555通常作为从设备连接到I²C主设备（处理器），可用于控制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。在服务器、路由器、个人电脑、工业自动化设备等领域都有广泛的应用。

6.2 典型应用设计

在典型应用中，需要考虑系统的参数，如I²C和子系统电压、输出电流额定值、I²C总线时钟速度等。同时，还需要进行一些计算，如结温计算和功耗计算，以确保设备的安全运行。

6.2.1 结温计算

许多器件参数是基于结温进行额定的，因此需要计算结温来验证设备是否在安全工作范围内。结温计算公式为$T{j}=T{A}+(theta{JA} × P{d})$，其中$theta{JA}$是封装的标准结到环境热阻，$P{d}$是设备的总功耗。

6.2.2 功耗计算

总功耗$P{d}$的近似计算公式为$P{d}≈(I_{CCSTATIC} × V{CC})+sum P{d{-} PORTL}+sum P{d_{-} PORTH}$，其中$P{d_{-} PORTL}$和$P{d_{-} PORT_H}$分别是端口输出低电平和高电平时的功耗。

6.2.3 上拉电阻计算

SCL和SDA线的上拉电阻$R{P}$需要根据总电容和其他参数进行选择。最小上拉电阻$R{p(min )}=frac{V{C C}-V{OL(max )}}{I{OL}}$，最大上拉电阻$R{p(max )}=frac{t{r}}{0.8473 × C{b}}$。

七、布局与电源建议

7.1 布局指南

在PCB布局时，要遵循常见的PCB布局原则，避免信号走线出现直角，合理规划信号走线的间距和宽度。同时，要使用旁路和去耦电容来控制VCC引脚的电压，这些电容应尽量靠近TCA9555放置。对于高密度信号布线的电路板，建议使用4层板，将信号布线在顶层和底层，内部层分别作为接地平面和电源平面。

7.2 电源建议

TCA9555可以通过电源复位功能在出现故障或数据损坏时恢复到默认状态。电源复位有两种类型，需要注意VCC的下降和上升速率、下降的最低电压以及故障宽度等参数，以确保复位功能的正常实现。

八、总结

TCA9555作为一款功能强大的I/O扩展器，具有低功耗、高兼容性、灵活配置等优点，在电子设计中有着广泛的应用前景。在使用过程中，我们需要充分了解其特性、引脚功能、电气参数等，合理进行编程和设计，同时注意布局和电源方面的建议，以确保设备的稳定运行。大家在实际设计中遇到过哪些关于I/O扩展器的问题呢？欢迎在评论区分享交流。