深入解析PCA9306：双向I²C和SMBus电压电平转换器

在现代电子系统中，不同电压域之间的数据通信是一个常见的挑战。为了实现不同电压电平之间的无缝转换，工程师们常常会使用电压电平转换器。NXP的PCA9306就是这样一款出色的双向 (I^{2} C) -bus和SMBus电压电平转换器，下面将为大家深入解析这款产品。

文件下载：PCA9306.pdf

一、产品概述

PCA9306是一款带有使能（EN）输入的双路双向 (I^{2} C) -bus和SMBus电压电平转换器，工作电压范围为1.0 V至3.6 V ((V{ref(1)})) 和1.8 V至5.5V ((V{bias(ref)(2) })) 。它无需方向引脚即可实现1.0 V至5 V之间的双向电压转换，开关的低导通电阻 ((R_{on })) 能确保连接时的传播延迟最小。

当EN输入为高电平时，转换器开关导通，SCL1和SDA1 I/O分别与SCL2和SDA2 I/O相连，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，端口间呈高阻抗状态。不过要注意，PCA9306与PCA9509或PCA9517A等总线缓冲器不同，它只有在禁用时才会隔离两侧，启用时只提供电压电平转换功能。

此外，PCA9306还能支持两条不同频率的总线同时运行，例如一条400 kHz和另一条100 kHz。但如果两条总线频率不同，在需要400 kHz总线运行时，必须隔离100 kHz的总线。而且，由于转换器会增加延迟，若控制器以400 kHz运行，系统的最大工作频率可能会低于400 kHz。

二、特点与优势

2.1 兼容性强

PCA9306是2位双向转换器，适用于混合模式 (I^{2} C) -bus应用中的SDA和SCL线。它兼容标准模式、快速模式和快速模式增强型 (I^{2} C) -bus以及SMBus，能满足多种设备的通信需求。

2.2 低延迟

其最大传播延迟小于1.5 ns，能够适应标准模式和快速模式 (I^{2} C) -bus设备以及多个控制器的要求，确保数据传输的及时性。

2.3 多电压转换支持

该转换器允许在多种电压之间进行转换，如 (1.0 ~V ~V{ref(1)}) 与1.8 V、2.5 V、3.3 V或5 V (V{bias(ref)(2) }) 等，为不同电压域之间的通信提供了灵活的解决方案。

2.4 无方向引脚双向转换

无需方向引脚即可实现双向电压转换，简化了电路设计。同时，输入输出端口之间的3.5 Ω低导通连接可减少信号失真。

2.5 高耐压与高阻态

具有5 V耐压的 (I^{2} C) -bus I/O端口，支持混合模式信号操作。当EN为低电平时，SCL1、SDA1、SCL2和SDA2引脚呈高阻抗状态，避免对电路产生干扰。

2.6 其他优势

PCA9306还具有无锁定操作、引脚布局便于印刷电路板走线等优点。此外，它提供了多种封装形式，如SO8、TSSOP8、VSSOP8等，方便工程师根据实际需求进行选择。其ESD保护能力也很强，超过了2000 V HBM（JESD22 - A114）和1000 V CDM（JESD22 - C101）的标准。

三、订购信息

PCA9306有多种型号可供选择，不同型号对应不同的封装形式。例如，PCA9306D采用SO8封装，PCA9306DC1采用VSSOP8封装等。在订购时，还需要考虑包装方法、最小订购数量和工作温度范围等因素。具体的订购信息可以参考文档中的表格。大家在选择时，要根据自己项目的实际需求来挑选合适的型号和封装。

四、功能原理

4.1 功能选择

PCA9306的功能由EN输入控制。当EN为高电平时，SCL1与SCL2、SDA1与SDA2相连，实现双向数据传输；当EN为低电平时，两端断开。需要注意的是，EN应由 (V{bias(ref)(2) }) 逻辑电平控制，且为了使转换器达到最佳工作状态，EN应比 (V{rea(1) }) 至少高1 V。

4.2 电压转换原理

当SDA1或SDA2端口为低电平时，箝位导通，SDA1和SDA2端口之间形成低电阻连接。假设SDA2端口为高电平且电压较高，SDA1端口的电压将被限制在VREF1设定的值。当SDA1端口为高电平时，SDA2端口会被上拉电阻拉至漏极上拉电源电压 ((V_{pu(D)})) 。SCL1/SCL2通道的工作原理与SDA1/SDA2通道相同，这种设计使得用户无需进行方向控制就能实现高低电压之间的无缝转换。

五、应用信息

5.1 双向翻译应用

在双向箝位配置中，EN输入必须连接到VREF2，并通过一个上拉电阻（通常为200 kΩ）将两个引脚拉至高侧 (V{pu(D) }) ，这样VREF2就能调节EN输入。同时，建议在VREF2上连接一个滤波电容。 (I^{2} C) -bus控制器输出可以是图腾柱或开漏（可能需要上拉电阻）， (I^{2} C) 总线设备输出也可以是图腾柱或开漏（需要上拉电阻将SCL2和SDA2输出拉至 (V{pu(D)}) ）。但如果输出是图腾柱，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，以防止双向的高低电平冲突。如果两个输出都是开漏，则无需方向控制。参考电源电压 ((V{ref(1)})) 应连接到处理器核心电源电压，当VREF2通过一个200 kΩ电阻连接到3.3 V至5.5 V的 (V{pu(D) }) 电源，且 (V{ref(1) }) 设置在1.0 V至 ((V{pu(D)}-1 ~V)) 之间时，SCL1和SDA1的最大输出电压等于VREF1，SCL2和SDA2的最大输出电压等于 (V_{pu(D)}) 。

5.2 上拉电阻值的确定

确定开漏总线上的上拉电阻值需要根据具体应用来进行，它取决于驱动器的多个特性，如驱动器灌电流、 (V{OL}) 、 (VIL) 以及工作频率等。文档中提供了不同驱动电流下PCA9306和NVT20xx设备上拉电阻的建议最小值表格。在最终应用中选择的电阻值应等于或大于表格中的值，以确保通过电压小于 (VCC) 电压的10%，并且外部驱动器应能够吸收两个上拉电阻的总电流。在选择最小电阻值时，应根据应用中看到的最低驱动电流进行选择，并考虑驱动强度电流随输出电压的缩放。对于GTL设备，需要重新计算电阻表，以考虑 (V{CC(B)}) 和 (V_{CC(A)}) 之间导通电阻和偏置电压限制的差异。那么大家在实际设计中，有没有遇到过上拉电阻选择不当导致的问题呢？

5.3 最大频率操作设计

PCA9306的最大频率受最小脉冲宽度（低电平和高电平）以及上升和下降时间的限制。上升和下降时间取决于转换电压、驱动强度、总节点电容 ((C{L(tot)})) 和总线上的上拉电阻 ((R{PU})) 。节点电容是PCB走线电容和总线上设备电容的总和。由于外部组件、PCB布局和不同设备工作状态的影响，上升和下降时间的计算较为复杂，并且曲线存在多个拐点。为了最大化设备的性能，工程师可以遵循一些基本准则，如将NVT设备靠近处理器放置以减小走线长度；确保信号在走线上的往返时间短于信号的上升或下降时间，以减少反射；注意信号边缘越陡峭，振铃的可能性就越高；通过上拉电阻控制更高的驱动强度（最高15 mA），有助于提高设备的使用频率。系统设计者必须根据外部电流驱动强度设计上拉电阻值，并限制节点电容（最小化导线、短截线、连接器和走线长度），以获得所需的工作频率结果。

六、封装与焊接

6.1 封装形式

PCA9306提供了多种封装形式，每种封装都有其特定的尺寸和规格。例如，SO8封装是塑料小外形封装，有8个引脚，体宽3.9 mm；TSSOP8封装是塑料薄收缩小外形封装，引脚数量为8个，体宽3 mm等。不同的封装适用于不同的应用场景，工程师可以根据实际需求进行选择。

6.2 焊接方法

6.2.1 焊接介绍

焊接是将封装连接到印刷电路板（PCB）以形成电路的常用方法之一，焊接接头提供机械和电气连接。不同的IC封装适合不同的焊接方法，波峰焊常用于通孔和表面贴装器件（SMD）混合的印刷线路板，但不适用于细间距SMD；回流焊则适用于小型化带来的小间距和高密度封装。

6.2.2 波峰焊

波峰焊是通过液态焊料的驻波来形成焊点的连接技术，适用于通孔组件以及粘贴在印刷电路板表面的有引脚或无引脚的SMD。但并非所有SMD都适合波峰焊，例如带有焊球的封装和一些底部有焊盘的无引脚封装，以及引脚间距小于约0.6 mm的有引脚SMD，由于桥接的可能性增加，不适合波峰焊。

6.2.3 回流焊

回流焊过程包括在电路板上涂敷焊膏，然后放置组件并使其暴露在温度曲线下。有引脚封装、有焊球的封装和无引脚封装都可以进行回流焊。回流焊需要注意一些关键特性，如无铅焊接与SnPb焊接的区别（无铅回流过程通常导致比SnPb过程更高的最低峰值温度，从而减小了工艺窗口）；焊膏印刷问题，包括涂抹、脱模以及为板上大小组件混合调整工艺窗口；回流温度曲线，包括预热、回流（将电路板加热到峰值温度）和冷却阶段，峰值温度必须足够高以使焊料形成可靠的焊点，但又不能过高以免损坏封装和/或电路板。封装的峰值温度取决于封装的厚度和体积，文档中给出了不同厚度和体积的封装在SnPb共晶工艺和无铅工艺下的回流温度表格。同时，必须始终遵守包装上标明的湿度敏感预防措施。

6.2.4 PCB焊盘

文档中提供了各种封装形式的PCA9306在回流焊时的PCB焊盘信息，包括焊盘尺寸、占用面积等详细参数，工程师在进行PCB设计时可以参考这些信息，以确保焊接的可靠性。

NXP的PCA9306凭借其出色的性能和丰富的功能，为电子工程师在不同电压域之间的 (I^{2} C) -bus和SMBus通信提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求选择合适的型号和封装，并注意各个参数的设置和设计要点，以确保系统的稳定运行。大家在使用PCA9306的过程中有没有遇到什么有趣的问题或者独特的应用场景呢？欢迎在评论区分享。