TXB0104：4位双向电压电平转换器的设计与应用

在电子设计领域，不同电压电平之间的转换是一个常见且关键的问题。德州仪器（Texas Instruments）的TXB0104 4位双向电压电平转换器，凭借其自动方向感应和±15-kV ESD保护等特性，为解决这一问题提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款转换器。

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一、特性亮点

1. 宽电压范围支持

A端口支持1.2 - 3.6V电压，B端口支持1.65 - 5.5V电压（需满足 (V{CCA} ≤V{CCB}) ），这使得它能够在多种不同电压的设备之间实现通用的低电压双向转换，如1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V和5V电压节点之间的转换。

2. (V_{CC}) 隔离特性

当任意一个 (V_{CC}) 输入接地时，所有输出都将处于高阻抗状态，这为电路提供了额外的保护，防止潜在的电气故障。

3. 低功耗设计

最大 (ICC) 仅为5μA，有效降低了设备的功耗，延长了电池供电设备的续航时间。

4. (I_{OFF}) 支持部分掉电模式

(I_{OFF}) 电路能够在设备掉电时禁用输出，防止电流回流对设备造成损坏，非常适合需要部分掉电功能的应用场景。

5. 高ESD保护能力

A端口的人体模型（HBM）为2500V，带电设备模型（CDM）为1500V；B端口的人体模型（HBM）为±15kV，带电设备模型（CDM）为1500V，有效保护设备免受静电放电的损害。

二、应用场景

TXB0104适用于多种电子设备，如耳机、智能手机、平板电脑和台式PC等。在这些设备中，不同组件可能工作在不同的电压电平下，TXB0104能够实现它们之间的电压转换，确保信号的正常传输。

三、详细描述

1. 架构设计

TXB0104采用无方向控制信号的架构，在直流状态下，输出驱动器保持高或低电平，但驱动能力较弱，可被外部驱动器覆盖。输出单稳态电路（one-shots）能够检测A或B端口的上升或下降沿，在上升沿开启PMOS晶体管，加速低到高的转换；在下降沿开启NMOS晶体管，加速高到低的转换。不同 (V{CCO}) 下的典型输出阻抗也有所不同，如 (V{CCO}=1.2 - 1.8V) 时为70Ω， (V{CCO}=1.8 - 3.3V) 时为50Ω， (V{CCO}=3.3 - 5V) 时为40Ω。

2. 输入驱动要求

为了确保设备的正常运行，驱动TXB0104数据I/O的设备驱动强度至少应为±2 mA。

3. 输出负载考虑

在PCB布局时，应采用短的PCB走线长度，避免过大的电容负载，确保单稳态电路（O.S.）能够正常触发。PCB信号走线长度应足够短，使反射的往返延迟小于单稳态电路的持续时间（约10 ns），以提高信号完整性。同时，应考虑集总负载电容，避免O.S.重触发、总线争用、输出信号振荡等问题。

4. 启用和禁用

通过OE输入可以禁用设备，将OE设置为低电平，所有I/O将处于高阻抗（Hi-Z）状态。禁用时间（ (t{dis}) ）表示OE变为低电平到输出实际禁用的延迟；启用时间（ (t{en}) ）表示OE变为高电平后，单稳态电路开始工作所需的时间。

5. I/O线上的上拉或下拉电阻

TXB0104的输出驱动器直流驱动能力较弱，若在数据I/O上外接上拉或下拉电阻，其阻值应大于50 kΩ，以避免与输出驱动器产生冲突。此外，该设备不适合用于I2C或1-Wire等需要在双向数据I/O上连接开漏驱动器的应用，建议使用TI的TXS01xx系列电平转换器。

四、应用与实现

1. 应用信息

TXB0104可用于不同接口电压的设备或系统之间的电平转换，但只能转换推挽CMOS逻辑输出。若需要转换开漏信号，可参考TI的TXS010X产品。同时，建议外部下拉或上拉电阻的阻值大于50 kΩ。

2. 典型应用设计

在设计过程中，需要确定输入电压范围（根据驱动TXB0104的设备电源电压确定，逻辑高电平需超过输入端口的 (V{IH}) ，逻辑低电平需低于 (V{IL}) ）和输出电压范围（根据被驱动设备的电源电压确定）。若必须使用外部上拉或下拉电阻，其阻值应大于50 kΩ，并且可以使用以下公式估算 (V{OH}) 和 (V{OL}) ： [V{OH}=V{CCx} × R{PD} /left(R{PD}+4.5 k Omegaright)] [V{OL}=V{CCx} × 4.5 k Omega /left(R{PU}+4.5 k Omegaright)] 其中， (V{CCx}) 是输出端口的电源电压（ (V{CCA}) 或 (V{CCB}) ）， (R{PD}) 是外部下拉电阻的阻值， (R{PU}) 是外部上拉电阻的阻值，4.5 kΩ是考虑I/O线中4 kΩ串联电阻的变化。

五、电源供应建议

在设备运行时，应始终确保 (V{CCA} ≤V{CCB}) 。在电源上电顺序方面， (V{CCA} ≥V{CCB}) 不会损坏设备，因此任何电源都可以先上电。当任意一个 (V{CC}) 关闭时，设备的电路会禁用所有输出端口。OE输入电路由 (V{CCA}) 供电，当OE输入为低电平时，所有输出处于高阻抗状态。为了确保在电源上电或掉电期间输出处于高阻抗状态，OE输入引脚应通过下拉电阻接地，并且在 (V{CCA}) 和 (V{CCB}) 完全上电并稳定之前，不应启用OE。下拉电阻的最小值由驱动器的电流源能力决定。

六、布局建议

1. 布局准则

为了确保设备的可靠性，建议遵循以下PCB布局准则：

• 在电源上使用旁路电容，并将其尽可能靠近 (V{CCA}) 、 (V{CCB}) 引脚和GND引脚。
• 使用短的走线长度，避免过大的负载。
• PCB信号走线长度应足够短，使反射的往返延迟小于单稳态电路的持续时间（约10 ns），确保反射在源驱动器处遇到低阻抗。

2. 布局示例

文档中提供了具体的布局示例，可参考相关内容进行实际设计。

七、设备与文档支持

1. 文档更新通知

可在ti.com上导航到设备产品文件夹，点击“Subscribe to updates”进行注册，以接收产品信息更新的每周摘要。同时，可查看修订文档中的修订历史了解详细更改信息。

2. 支持资源

TI E2E™支持论坛是获取快速、可靠答案和设计帮助的重要来源，可搜索现有答案或提出自己的问题。

3. 静电放电注意事项

该集成电路易受ESD损坏，建议在处理时采取适当的预防措施，避免因静电放电导致设备性能下降或完全失效。

八、机械、封装与订购信息

文档提供了多种封装选项，如UQFN、SOIC、BGA MICROSTAR JUNIOR™等，并详细列出了各封装的相关信息，包括尺寸、引脚数量、环保计划、引脚镀层/球材料、MSL峰值温度、工作温度范围、设备标记和样品情况等。同时，还提供了不同封装的包装材料信息，如卷带尺寸、管装尺寸等。

总之，TXB0104是一款功能强大、应用广泛的电压电平转换器，在电子设计中具有重要的价值。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择封装和参数，并遵循相关的设计和布局准则，以确保设备的性能和可靠性。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。