PCA9546A：低电压4通道I²C和SMBus开关的深度剖析

在电子设计领域，I²C总线的应用极为广泛，而PCA9546A作为一款低电压4通道I²C和SMBus开关，以其独特的功能和特性，为工程师们解决了诸多实际问题。今天，我们就来深入剖析这款器件。

文件下载：pca9546a.pdf

一、产品概览

PCA9546A是德州仪器（Texas Instruments）推出的一款4通道、双向转换I²C开关。它能将主SCL/SDA信号对导向四个从设备通道（SC0/SD0 - SC3/SD3），可单独选择任何一个下游通道，也能选择四个通道的任意组合。

1.1 主要特性

• 多通道选择：四个通道可任意组合选择，通过I²C总线控制，灵活性极高。
• 复位功能：具备低电平有效复位输入（RESET），当下游I²C总线陷入低电平状态时，可让器件恢复正常。
• 电压转换：允许不同总线电压的设备通信，如1.8V、2.5V或3.3V的器件能与5V的器件通信，无需额外保护。
• 低导通电阻：低$R_{ON}$开关，支持1.8V、2.5V、3.3V和5V总线间的电压电平转换。
• 其他特性：上电时所有开关通道均不选中，无上电毛刺，支持热插拔，低待机电流，工作电源电压范围为2.3V至5.5V，所有I/O引脚耐压5.5V，时钟频率0至400kHz，闩锁性能超过100mA，ESD保护性能出色。

1.2 应用场景

• 服务器和路由器：在电信交换设备中，可用于解决I²C从设备地址冲突问题。
• 工厂自动化：协调多个I²C设备的通信。
• I²C从设备地址冲突的产品：如多个相同的温度传感器，可通过不同通道连接，避免地址冲突。

二、技术细节解析

2.1 引脚配置与功能

PCA9546A有多种封装形式，各引脚功能明确。其中，A0、A1、A2为地址输入引脚，可直接连接到Vcc或地，用于确定设备地址；RESET为低电平有效复位输入；SCL和SDA为串行时钟和数据输入；SC0 - SC3和SD0 - SD3为四个通道的串行时钟和数据输出。

2.2 规格参数

2.2.1 绝对最大额定值

需注意，超出绝对最大额定值的应力可能会对器件造成永久性损坏，使用时务必遵循推荐工作条件。

2.2.2 ESD额定值

具备良好的ESD保护性能，人体模型（HBM）可达+2000V，带电设备模型（CDM）可达±1000V。

2.2.3 推荐工作条件

• 电源电压（Vcc）：2.3V至5.5V。
• 高电平输入电压（VIH）：SCL、SDA引脚为0.7 x Vcc至6V；A2 - A0、RESET引脚为0.7 x Vcc至Vcc + 0.5V。
• 低电平输入电压（VIL）：SCL、SDA引脚为 - 0.5V至0.3 x Vcc；A2 - A0、RESET引脚为 - 0.5V至0.3 x Vcc。
• 工作温度（TA）： - 40°C至85°C。

2.2.4 电气特性

涵盖了电源上电复位电压、开关输出电压、输出电流、输入电流、工作模式电流等多个参数，这些参数在不同的电源电压和测试条件下有不同的取值范围，设计时需根据具体情况进行选择。

2.2.5 I²C接口时序要求

分为标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz），对时钟频率、时钟高低电平时间、串行数据设置和保持时间、总线空闲时间等都有明确要求，确保I²C通信的稳定性。

2.2.6 中断和复位时序要求

RESET低电平脉冲持续时间（twL）最小为6ns，RESET时间（SDA清除）最大为500ns，从RESET到启动的恢复时间（tREC(STA)）最小为0ns。

2.2.7 开关特性

传播延迟时间与开关的典型导通电阻和负载电容有关，当由理想电压源驱动时，可通过计算RC时间常数得到。

2.3 详细工作原理

2.3.1 概述

PCA9546A通过一个8位控制寄存器来控制四个通道的开关状态。主设备通过I²C总线与PCA9546A通信，写入或读取控制寄存器，从而选择相应的通道。

2.3.2 功能模块图

其功能模块图展示了信号的流向和各个部分的连接关系，有助于我们理解其内部工作机制。

2.3.3 功能模式

• RESET输入：RESET为低电平有效信号，当该信号至少保持twL时间时，PCA9546A将复位其寄存器和I²C状态机，并取消选择所有通道。需注意，若RESET电压设置高于Vcc，电流会从RESET引脚流向Vcc引脚，可能导致Vcc电压升高，设计时应确保RESET电压等于或低于Vcc。
• 上电复位：当Vcc上电时，内部上电复位将PCA9546A保持在复位状态，直到Vcc达到VPOR。此时，复位状态解除，寄存器和I²C状态机初始化为默认状态，所有通道均被取消选择。此后，需将Vcc降至VPOR以下才能再次复位设备。

2.4 编程与控制寄存器

2.4.1 I²C接口通信

I²C总线通信基于时钟信号和数据信号，通过起始条件、停止条件和应答位来实现数据的传输。主设备发送起始条件后，输出从设备地址，若地址被成功确认，主设备可向从设备发送或接收数据。

2.4.2 控制寄存器

• 设备地址：PCA9546A的地址由硬件选择引脚A0、A1和A2确定，最后一位定义操作类型（读或写）。
• 控制寄存器描述：主设备成功确认从设备地址后，发送一个字节到PCA9546A，该字节存储在控制寄存器中。若接收到多个字节，只保存最后一个字节。该寄存器可通过I²C总线进行读写操作。
• 控制寄存器定义：控制寄存器的四个最低有效位用于控制四个开关通道的启用和禁用。例如，B3 = 0、B2 = 1、B1 = 1、B0 = 0表示通道0和3禁用，通道1和2启用。

三、应用设计要点

3.1 应用场景分析

PCA9546A的应用通常包含一个I²C（或SMBus）主设备和最多四个I²C从设备。其下游通道可解决I²C从设备地址冲突问题，也可将总总线电容分布到多个通道上。

3.2 典型应用设计

3.2.1 设计要求

• 地址引脚：A0、A1和A2引脚可直接连接到GND或Vcc，用于控制PCA9546A的从设备地址。
• 电流计算：若多个从通道同时激活，主侧SCL/SDA到GND的总$I_{OL}$为所有上拉电阻的电流之和。
• 电压转换：PCA9546A的$V{CC}$电压可用于限制从一个I²C总线传递到另一个总线的最大电压。为实现电压转换，$V{pass}$电压必须等于或低于最低总线电压，可通过选择合适的$V_{CC}$和上拉电阻来实现。

3.2.2 详细设计步骤

• 选择上拉电阻：根据$V{DPUX}$、$V{OL,(max)}$和$I{OL}$计算最小上拉电阻$R{p(min)}$，根据最大上升时间$t{r}$和总线电容$C{b}$计算最大上拉电阻$R_{p(max)}$。
• 总线电容限制：I²C总线的最大总线电容在快速模式下不得超过400pF，需考虑PCA9546A的电容、线路电容和各个从设备的电容。

3.2.3 应用曲线参考

文档中提供了多个应用曲线，如通门电压（$V{pass}$）与电源电压（$V{CC}$）的关系、最大上拉电阻（$R{p(max)}$）与总线电容（$C{b}$）的关系、最小上拉电阻（$R_{p(min)}$）与上拉参考电压（VDPUX）的关系等，这些曲线可帮助我们更好地进行设计。

四、电源与布局建议

4.1 电源供应建议

4.1.1 上电复位要求

PCA9546A可通过上电复位功能在出现故障或数据损坏时恢复到默认状态。上电复位需要对设备进行一次电源循环，有两种类型的上电复位，对电源的下降和上升速率、再上升时间、电压阈值等都有相应要求。同时，电源中的毛刺会影响上电复位性能，需注意毛刺宽度和高度的影响。

4.1.2 电源选择

根据应用需求和器件规格，合理选择$V_{CC}$电压，确保器件正常工作。

4.2 布局设计要点

4.2.1 布局准则

在PCB布局时，需遵循常见的PCB布局原则。对于I²C信号速度，无需特别考虑匹配阻抗和差分对。建议在板内设置专用接地层，接地引脚通过宽多边形铜皮和多个过孔与接地层建立低阻抗路径。使用旁路和去耦电容控制$V_{CC}$引脚电压，大电容用于应对短时间电源毛刺，小电容用于过滤高频纹波。

4.2.2 布局示例

文档中提供了布局示例，帮助我们直观地了解如何进行合理的布局。在需要电压转换的应用中，不同的$VDPUX$电压和$V_{CC}$可能需要使用分割平面来隔离不同的电压电位；为减少PCB寄生电容对I²C总线的影响，数据线路应尽量短，走线宽度应尽量小。

五、总结

PCA9546A作为一款功能强大的I²C开关，为电子工程师在I²C总线设计中提供了有效的解决方案。通过深入了解其特性、工作原理、应用设计要点以及电源和布局建议，我们能够更好地运用这款器件，解决实际设计中的问题。在实际应用中，还需根据具体需求进行合理的设计和优化，确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为广大电子工程师在使用PCA9546A时提供有益的参考。