TCA6408A：低电压8位I²C和SMBus I/O扩展器的深度解析

在电子设计领域，I/O扩展器是一种常见且实用的器件，它可以为处理器提供更多的通用输入/输出（I/O）端口，从而满足复杂系统的需求。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的TCA6408A低电压8位I²C和SMBus I/O扩展器。

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1. 产品概述

TCA6408A是一款16引脚的器件，为两线双向I²C总线（或SMBus）协议提供8位通用并行输入/输出（I/O）扩展。它的电源电压范围为1.65V至5.5V，适用于多种电压等级的系统，能与下一代微处理器和微控制器接口，同时支持100kHz标准模式和400kHz快速模式的I²C总线。

2. 产品特性亮点

2.1 电压兼容性与电平转换

TCA6408A的工作电源电压范围为1.65V至5.5V，允许在1.8V、2.5V、3.3V和5V的I²C总线与P端口之间进行双向电压电平转换和GPIO扩展。这意味着它可以很好地适应不同电压等级的系统，解决了不同电压设备之间的通信问题。

2.2 低功耗设计

其待机电流消耗仅为1μA，对于需要低功耗的应用场景，如电池供电设备，是一个非常重要的特性。这有助于延长设备的续航时间，降低整体功耗。

2.3 硬件地址配置

硬件地址引脚允许在同一I²C/SMBus总线上连接两个TCA6408A设备，增加了系统的灵活性和可扩展性。通过简单的地址配置，就可以在一个总线上连接多个扩展器，满足更多I/O端口的需求。

2.4 丰富的功能寄存器

它具有输入和输出配置寄存器、极性反转寄存器，还支持内部上电复位。上电时，所有通道默认配置为输入，且上电无毛刺，SCL和SDA输入带有噪声滤波器，提高了系统的稳定性和抗干扰能力。

2.5 高驱动能力与ESD保护

输出具有高电流驱动能力，可直接驱动LED，同时闩锁性能超过100mA（符合JESD 78，II类）。ESD保护超过JESD 22标准，人体模型（A114 - A）为2000V，带电设备模型（C101）为1000V，有效保护器件免受静电损坏。

3. 应用场景广泛

TCA6408A的应用场景非常广泛，涵盖了服务器、路由器、个人电脑、个人电子设备（如游戏机）、工业自动化以及GPIO受限的处理器产品等。在这些应用中，它可以作为I²C控制器的目标设备，放置在靠近GPIO的位置，实现对GPIO的监控和控制。

4. 详细规格参数

4.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。TCA6408A的电源电压、输入输出电压、电流等都有明确的最大额定值，超过这些值可能会导致器件永久损坏。例如，VCCI和VCCP的电源电压范围为 - 0.5V至6.5V，连续输出低电流P端口为50mA等。

4.2 ESD额定值

ESD保护是衡量器件可靠性的重要指标。TCA6408A的人体模型（HBM）为2000V，带电设备模型（CDM）为±1000V，这表明它在静电环境下具有较好的抗干扰能力。

4.3 推荐工作条件

为了保证器件的正常工作，需要在推荐的工作条件下使用。例如，VccI和Vccp的推荐工作电压范围为1.65V至5.5V，工作温度范围为 - 40°C至85°C。

4.4 电气特性

电气特性包括输入二极管钳位电压、电源上电复位电压、输出高低电平电压等。这些特性决定了器件在不同电压和负载条件下的性能。例如，P端口高电平输出电压在不同的负载电流和电源电压下有不同的值，这对于设计电路时选择合适的电源和负载非常重要。

4.5 接口时序要求

I²C接口时序要求对于数据传输的准确性和稳定性至关重要。TCA6408A在标准模式和快速模式下都有明确的时钟频率、时钟高低时间、数据建立和保持时间等要求。例如，快速模式下I²C时钟频率最大为400kHz，时钟高时间最小为0.6μs。

5. 功能详细解析

5.1 电压转换

TCA6408A支持多种常见的电压转换组合，如I²C总线侧1.8V与P端口侧2.5V、3.3V或5V的组合。通过合理配置VCCI和VCCP，可以实现不同电压等级之间的通信。

5.2 I/O端口配置

I/O端口可以配置为输入或输出。当配置为输入时，具有高阻抗特性；配置为输出时，根据输出端口寄存器的状态选择导通Q1或Q2，提供低阻抗路径。需要注意的是，外部施加到I/O引脚的电压不应超过推荐水平。

5.3 中断输出（INT）

中断输出是TCA6408A的一个重要特性。当端口输入在输入模式下发生上升或下降沿时，会产生中断信号。中断信号在时间tiv后有效，通过读取端口数据或改变端口数据可以复位中断电路。需要注意的是，ACK或NACK时钟脉冲期间发生的中断可能会丢失。INT输出为开漏结构，需要上拉电阻连接到VCCP或VCCI。

5.4 复位输入（RESET）

通过将RESET引脚拉低至少时间tw，可以对系统进行复位，将寄存器和I²C/SMBus状态机初始化为默认状态。在不关闭VCCP的情况下，也可以通过RESET输入进行复位操作。

6. 编程与寄存器映射

6.1 I²C接口通信

TCA6408A的I²C接口由串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线组成，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，总线空闲的条件是SDA和SCL线在STOP条件后都为高电平。控制器访问目标设备的一般过程包括发送START条件、地址、数据和STOP条件等步骤。

6.2 总线事务

数据的读写通过对目标设备的寄存器进行操作来实现。写操作时，控制器发送START条件、目标地址、寄存器地址和数据，最后发送STOP条件；读操作时，需要先发送写请求指定要读取的寄存器，然后再发送读请求接收数据。

6.3 寄存器映射

TCA6408A有四个重要的寄存器：输入端口寄存器、输出端口寄存器、极性反转寄存器和配置寄存器。输入端口寄存器反映引脚的逻辑电平，输出端口寄存器显示输出引脚的逻辑电平，极性反转寄存器可以对输入引脚的极性进行反转，配置寄存器用于配置I/O引脚的方向。

7. 应用设计与实现

7.1 典型应用

在典型应用中，TCA6408A通常作为目标设备连接到I²C控制器，P端口可以配置为输出连接到设备的使能、复位、电源选择等引脚，也可以配置为输入接收中断、报警等信号。

7.2 设计要点

在设计过程中，需要注意I²C总线的上拉电阻选择，其大小取决于I²C线上的电容。同时，当I/O用于控制LED时，为了降低功耗，应考虑在LED关闭时保持I/O引脚电压大于或等于VCC。

7.3 电源供应建议

电源供应对于TCA6408A的正常工作至关重要。推荐先升高VCCP再升高VCCI，以防止SDA线可能被拉低。电源上电复位需要通过电源循环来完成，同时要注意电源中的毛刺对复位性能的影响。

8. 布局与注意事项

8.1 PCB布局

在PCB布局时，应遵循常见的PCB布局原则，如避免信号迹线直角、合理扇出信号迹线、使用较粗的电源和接地迹线等。同时，旁路和去耦电容应尽量靠近TCA6408A放置，以控制VCCP引脚的电压。

8.2 ESD防护

由于TCA6408A容易受到ESD损坏，在操作和安装过程中应采取适当的静电防护措施，如使用防静电手环、防静电工作台等。

总结

TCA6408A是一款功能强大、性能稳定的I/O扩展器，具有广泛的应用场景和丰富的特性。在设计过程中，我们需要充分了解其特性和规格参数，合理进行电路设计和布局，以确保系统的可靠性和稳定性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地理解和使用TCA6408A。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。