PCA9306-Q1：双路双向 $I^{2}C$ 总线和 SMBus 电压电平转换器的详细解析

在电子设计领域，电压电平转换是一个常见且关键的问题，特别是在处理不同电压域的 $I^{2}C$ 总线和 SMBus 通信时。PCA9306-Q1 作为一款双路双向 $I^{2}C$ 总线和 SMBus 电压电平转换器，为我们提供了一个优秀的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下这款器件。

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1. 特性与应用

1.1 特性亮点

PCA9306-Q1 经过 AEC - Q100 认证，适用于汽车应用，工作温度范围为 - 40°C 至 105°C。它具有出色的 ESD 防护能力，HBM ESD 分类为 H2 级，CDM ESD 分类为 C4B 级。其 2 位双向转换器可用于混合模式 $I^{2}C$ 应用中的 SDA 和 SCL 线路，最大传播延迟小于 1.5 ns，能适配标准模式和快速模式 $I^{2}C$ 设备及多个控制器。

1.2 广泛应用

该器件适用于多种接口，如 $I^{2}C$、SMBus、PMBus、MDIO、UART、低速 SDIO、GPIO 等。在汽车领域，它可用于汽车主机、汽车仪表盘、汽车驾驶辅助摄像头等。

2. 详细描述

2.1 工作原理

PCA9306-Q1 具有使能（EN）输入，工作电压范围为 1.2 - 3.3V 的 $V{REF1}$ 和 1.8 - 5.5V 的 $V{REF2}$。无需方向引脚即可实现 1.2V 至 5V 之间的双向电压转换。开关的低导通电阻（$r_{on}$）可使连接的传播延迟最小化。当 EN 为高电平时，转换器开关导通，SCL1 和 SDA1 I/O 分别连接到 SCL2 和 SDA2 I/O，实现端口间的双向数据流；当 EN 为低电平时，转换器开关断开，端口间呈高阻态。

2.2 优势体现

在 $I^{2}C$ 应用中，总线电容限制为 400 pF 会限制设备数量和总线长度。使用 PCA9306-Q1 可在禁用时隔离总线的两半部分，从而容纳更多 $I^{2}C$ 设备或更长的走线长度。此外，它还能运行两条不同频率的总线，如一条 400 kHz 和另一条 100 kHz 的总线。

3. 规格参数

3.1 绝对最大额定值

PCA9306-Q1 的各项电压输入和输出的绝对最大额定值在 - 0.5V 至 7V 之间，连续通道电流最大为 128 mA，输入钳位电流在 V < 0 时最大为 - 50 mA，封装热阻最大为 275.5°C/W，存储温度范围为 - 65°C 至 150°C。

3.2 ESD 评级

其 HBM ESD 为 + 2000V，CDM ESD 为 ± 750V，能有效保护器件免受静电损害。

3.3 推荐工作条件

输入/输出电压范围为 0 - 5V，$V{REF1}$ 和 $V{REF2}$ 参考电压范围为 0 - 5V，使能输入电压范围为 0 - 5V，通过开关电流最大为 64 mA，工作环境温度范围为 - 40°C 至 105°C。

3.4 热信息

该器件的热性能指标包括结到环境热阻、结到外壳（顶部）热阻、结到电路板热阻等，这些参数有助于我们在设计时进行合理的散热规划。

3.5 电气特性

包括输入钳位电压、输入泄漏电流、输入电容、关断电容、导通电容、导通电阻等参数，这些参数在不同的使能电压和测试条件下有所不同。

3.6 开关特性

在不同的电压转换情况下（如向下转换和向上转换），给出了不同负载电容下的传播延迟参数，这对于设计高速通信系统非常重要。

4. 详细设计与应用

4.1 正确设置与注意事项

在正常设置中，使能引脚和 $V{REF2}$ 需短接并通过 200 kΩ 电阻连接，以建立参考电压。要注意 $V{REF2}$ 与 $V_{CC2}$ 之间需有外部电阻，否则可能导致过流损坏器件。

4.2 多种应用场景

• 断开目标设备：可作为开关断开设备的一侧与主 $I^{2}C$ 总线的连接，避免不同频率设备之间的干扰。
• 支持远程板插入：在将远程板连接到背板时，可先禁用 PCA9306-Q1，连接完成且总线空闲后再启用，防止数据损坏和脉冲干扰。
• 开关配置：当 $V{REF1}$ 等于 $V{REF2}$ 时，器件可作为开关使用，此时传播延迟与翻译模式有所不同。
• 控制器位置：由于 $I^{2}C$ 和 SMBus 是双向协议，控制器可放置在器件的任意一侧。
• LDO 与器件配合：$V_{REF1}$ 可由 LDO 供电，但需注意 LDO 可能因偏置电流失去调节能力，可通过放置下拉电阻解决。
• 电流限制电阻：$V_{REF2}$ 上的电阻用于限制电流和建立使能引脚的参考电压，需合理选择电阻值，避免超过绝对最大连续通道电流。

4.3 典型应用设计

在典型应用中，需要合理选择上拉电阻的大小，以确保器件的正常工作。同时，要注意双向转换的配置和带宽的计算，以满足系统的性能要求。

5. 布局与支持

5.1 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，合理安排走线宽度和间距。100 pF 滤波电容应尽量靠近 $V_{REF2}$ 放置。对于高密度信号布线，建议使用四层板。

5.2 文档与支持资源

可通过 ti.com 获取相关文档，并订阅文档更新通知。TI E2E™ 支持论坛是获取设计帮助和解答问题的好地方，但要注意静电放电防护，避免损坏器件。

6. 总结

PCA9306-Q1 是一款功能强大、性能出色的双路双向 $I^{2}C$ 总线和 SMBus 电压电平转换器，适用于多种汽车和工业应用。在设计过程中，我们需要充分了解其特性、规格参数和应用注意事项，合理进行布局和配置，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。