深入解析NLA9306：双向I²C和SMBus电压电平转换器

在电子设计领域，电平转换是一个常见且关键的需求。特别是在处理不同电压域的I²C和SMBus通信时，合适的电平转换器能确保信号的可靠传输。今天，我们就来深入探讨安森美（onsemi）的NLA9306双向I²C和SMBus电压电平转换器。

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1. 产品概述

NLA9306是一款带有使能（EN）输入的双路双向I²C总线和SMBus电压电平转换器。它可在1.0V至3.6V（Vref(1)）和1.8V至5.5V（Vbias(ref)(2)）的电压范围内工作，能实现1.0V至5V之间的双向电压转换，且无需方向引脚。

1.1 产品特性

• 双向转换能力：适用于混合模式I²C总线应用中的SDA和SCL线的2位双向转换，兼容标准模式、快速模式和快速模式Plus I²C总线以及SMBus。
• 低传播延迟：最大传播延迟小于1.5ns，可适应标准模式和快速模式I²C总线设备及多主设备。
• 多电压转换支持：支持多种电压组合的电平转换，如1.0V Vref(1)与1.8V、2.5V、3.3V或5V Vbias(ref)(2)等。
• 无方向引脚设计：提供双向电压转换，无需额外的方向控制。
• 低导通电阻：输入和输出端口之间的低3.5Ω导通状态连接，减少信号失真。
• 开漏I²C总线I/O端口：SCL1、SDA1、SCL2和SDA2为开漏I²C总线I/O端口，5V容限支持混合模式信号操作。
• 高阻抗状态：当EN为低电平时，SCL1、SDA1、SCL2和SDA2引脚处于高阻抗状态。
• 无锁定操作：确保设备在各种工作条件下稳定运行。

2. 功能描述

2.1 工作原理

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，实现端口之间的双向数据流。当EN为低电平时，转换器开关关闭，端口之间处于高阻抗状态。

2.2 频率兼容性

NLA9306可用于运行两个不同频率的总线，一个为400kHz，另一个为100kHz。但如果两个总线工作在不同频率，当需要400kHz总线运行时，100kHz总线必须隔离。由于转换器会增加延迟，当主设备以400kHz运行时，系统最大工作频率可能低于400kHz。

2.3 上拉电阻要求

与标准I²C总线系统一样，转换器的总线上需要上拉电阻来提供逻辑高电平。NLA9306采用标准的开集电极配置，上拉电阻的大小取决于系统，但转换器的每一侧都必须有上拉电阻。该设备设计用于与标准模式、快速模式和快速模式Plus I²C总线设备以及SMBus设备配合使用，最大频率取决于RC时间常数，通常支持>2MHz。

2.4 电压转换功能

当SDA1或SDA2端口为低电平时，钳位处于导通状态，SDA1和SDA2端口之间存在低电阻连接。假设SDA2端口电压较高，当SDA2端口为高电平时，SDA1端口的电压被限制为VREF1设置的电压。当SDA1端口为高电平时，SDA2端口被上拉电阻拉至漏极上拉电源电压（Vpu(D)）。SCL1/SCL2通道的功能与SDA1/SDA2通道相同。

3. 引脚分配与功能表

3.1 引脚描述

Pin	Description
GND	接地
VREF1	SCL1和SDA1的低电压侧参考电源电压
SCL1	串行时钟，低电压侧；通过上拉电阻连接到VREF1
SDA1	串行数据，低电压侧；通过上拉电阻连接到VREF1
SDA2	串行数据，高电压侧；通过上拉电阻连接到VREF2
SCL2	串行时钟，高电压侧；通过上拉电阻连接到VREF2
VREF2	SCL2和SDA2的高电压侧参考电源电压
EN	开关使能输入；连接到VREF2并通过高电阻上拉

3.2 功能表

Input EN (Note 1)	Function
Low	断开连接
High	SCL1 = SCL2; SDA1 = SDA2

注：EN由Vbias(ref)(2)逻辑电平控制，为实现最佳转换器操作，EN应比Vref(1)至少高1V。

4. 电气特性

4.1 最大额定值

Symbol	Parameter	Value	Unit
Vref(1)	参考电压	-0.5 to +7.0	V
Vbias(ref)(2)	参考偏置电压	-0.5 to +7.0	V
VIN	输入电压	-0.5 to +7.0	V
VIVO	输入/输出引脚电压	-0.5 to +7.0	V
ICH	直流通道电流	128	mA
lik	直流输入二极管电流（VIN < GND）	-50	mA
TSTG	存储温度范围	-65 to +150	°C
TL	引脚温度（距外壳1mm，持续10秒）	260	°C
TJ	偏置下的结温	150	°C
thetaJA	热阻	150	°C/W
PD	85°C静止空气中的功耗	833	mW
MSL	湿度敏感度	1级
FR	可燃性等级（氧指数：28 - 34）	UL 94 V - 0 @ 0.125 in
VESD	ESD耐受电压（人体模型、机器模型、充电设备模型）	> 2000、N/A、> 1000	V
LATCHUP	125°C时高于VCC和低于GND的闩锁性能	±100	mA

4.2 推荐工作条件

Symbol	Parameter	Min	Max	Unit
V ref(1)	参考电压(1)	0	5.5	V
V bias(ref)(2)	参考偏置电压(2)	0	5.5	V
V I/O	输入/输出引脚电压（SCL1, SDA1, SCL2, SDA2）	0	5.5	V
V I(EN)	控制引脚输入电压（EN）	0	5.5	V
I sw(pass)	导通开关电流	0	64	mA
T A	工作自由空气温度	-55	+125	°C

4.3 直流电气特性

涵盖输入钳位电压、高电平输入电流、EN引脚输入电容、关态和开态I/O引脚电容、导通状态电阻等参数。

4.4 交流电气特性

包括向下转换和向上转换时的传播延迟等参数，这些参数保证了设计的性能。

5. 应用信息

5.1 电压要求

为实现最佳转换器操作，Vbias(ref)(2)应比Vref(1)至少高1V。在使能模式下，施加的使能电压和Vref(1)的电压也应满足此条件。

5.2 双向转换配置

对于双向钳位配置，EN输入必须连接到VREF2，并通过上拉电阻（通常为200k）将两个引脚拉至高侧Vpu(D)。建议在VREF2上使用滤波电容。I²C总线主输出可以是图腾柱或开漏（可能需要上拉电阻），I²C总线设备输出可以是图腾柱或开漏（需要上拉电阻将SCL2和SDA2输出拉至Vpu(D)）。如果任一输出是图腾柱，则数据必须是单向的，或者输出必须是三态的，并由某种方向控制机制控制，以防止在任一方向上出现高到低的冲突。如果两个输出都是开漏，则不需要方向控制。

5.3 上拉电阻选型

上拉电阻的值需要将导通状态下通过开关晶体管的电流限制在约15mA，以确保导通电压在260mV至350mV之间。计算公式为： [R{P U}=frac{V{P U(D)}-0.35 V}{0.015 A}]

5.4 最大频率计算

最大频率完全取决于应用的具体情况，该设备可运行>33MHz。为了最大化设备性能，应将NLA9306靠近处理器放置，以减少走线长度；走线长度应小于飞行时间的一半，以减少振铃和反射；信号边缘越快，振铃的可能性越高；驱动强度越高（最高15mA），设备可使用的频率越高。

6. 订购信息

NLA9306提供多种封装选项，包括US8、UQFN8、UDFN8和TSSOP - 8，均为无铅封装。部分型号带有 - Q后缀，适用于汽车和其他需要独特场地和控制变更要求的应用，符合AEC - Q100标准且具备PPAP能力。

7. 机械尺寸

文档还提供了US8、UDFN8、UQFN8和TSSOP8等封装的机械尺寸和标记图，为工程师在PCB设计时提供了详细的参考。

NLA9306是一款功能强大、性能出色的双向I²C和SMBus电压电平转换器，在电子设计中具有广泛的应用前景。工程师们在使用时，需根据具体的应用需求，合理选择封装、设置电压和上拉电阻等参数，以确保设备的稳定运行。你在使用电平转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。