ZHCADM1 January 2024 TCA39306 , TCA39306-Q1 , TCA39416
引言
I2C（內(nèi)部集成電路）協(xié)議在簡(jiǎn)化企業(yè)、個(gè)人電子產(chǎn)品和工業(yè)市場(chǎng)的 PCB 通信方面發(fā)揮了重要作用。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，需求也逐漸轉(zhuǎn)向更高效、更高性能的接口。I3C（改進(jìn)型內(nèi)部集成電路）已成為一種重要趨勢(shì)，因?yàn)?I3C 支持更快的數(shù)據(jù)速率，功耗大幅降低，而且具有新的功能，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單靈活的設(shè)計(jì)。德州儀器 (TI) 提供完整的 I3C 兼容型電壓電平轉(zhuǎn)換器和多路復(fù)用器產(chǎn)品系列。本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)總結(jié)了接口產(chǎn)品類別中的最新 I3C 器件，并重點(diǎn)介紹了使用 TI I3C 產(chǎn)品的主要系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。
I3C 兼容型電壓轉(zhuǎn)換器
電壓轉(zhuǎn)換器或電平轉(zhuǎn)換器用于解決兩個(gè)電壓域之間的邏輯閾值不兼容問(wèn)題。為了支持 I3C 標(biāo)準(zhǔn)，需要使用電平轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足 12.5MHz 時(shí)鐘頻率以及開漏和推挽接口類型。
寬電壓 I3C 無(wú)源電平轉(zhuǎn)換器 - TCA39306
TCA39306 是一款雙向電壓轉(zhuǎn)換器，用于在控制器和目標(biāo)器件之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換邏輯電平。VREF1 接受 0.9V 至 3.3V 的電源電壓，而 VREF2 接受 1.8V 至 5.5V 的電壓。寬電源電壓范圍讓 TCA39306 可以對(duì) 0.85V 至 5V 之間的電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。根據(jù)負(fù)載條件，TCA39306 可以實(shí)現(xiàn)超過(guò) 100MHz 的帶寬。該器件是基于無(wú)源 FET 的轉(zhuǎn)換器，不提供額外的驅(qū)動(dòng)能力。雖然支持 I3C 帶寬，但無(wú)源 FET 架構(gòu)在某些 I3C 用例中可能會(huì)有限制。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱器件數(shù)據(jù)表的第 9.3 節(jié)（TCA39306 雙路雙向 I2C 總線和 SMBus 電壓電平轉(zhuǎn)換器）。
TCA39306 使用外部上拉電阻器，使設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)系統(tǒng)權(quán)衡因素靈活地調(diào)整電阻器的大小。強(qiáng)上拉可通過(guò)更大限度地減小 RC 延遲來(lái)提高 I3C 速度，而弱上拉的功耗更低。當(dāng) VREF1 和 VREF2 連接至 GND 時(shí)，TCA39306 也可以作為 I3C 開關(guān)運(yùn)行。器件功能模式由使能 (EN) 引腳上的電壓控制。然后可以使用施加到 EN 的外部控制信號(hào)來(lái)啟用和禁用總線路徑。
圖 1 TCA93036 典型 I3C 應(yīng)用具有上升時(shí)間加速器的超低電壓 MIPI I3C v1.1.1 兼容電平轉(zhuǎn)換器 - TCA39416
TCA39416 是一款 2 位 MIPI I3C v1.1.1 轉(zhuǎn)換器，能夠滿足單數(shù)據(jù)速率 (SDR) 模式下高達(dá) 12.5Mbps 的信號(hào)傳輸速率，以及高數(shù)據(jù)速率 (HDR-DDR) 模式下高達(dá) 25Mbps 的信號(hào)傳輸速率。通過(guò)在 SCL 的上升沿和下降沿對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，在 HDR-DDR 模式下實(shí)現(xiàn)雙倍數(shù)據(jù)速率。
處理器的趨勢(shì)是向低電壓節(jié)點(diǎn)發(fā)展，從而更大限度地提高處理器的運(yùn)行性能。TCA39416 具有適應(yīng)未來(lái)需求的超低電壓范圍，使得 TCA39416 可以適應(yīng) 1.8V、1.2V 甚至是 0.8V 的 I/O 電壓，變化幅度高達(dá) 10%。通過(guò)這一改進(jìn)，就不再需要使用高精度電源轉(zhuǎn)換器和 LDO，從而顯著降低了系統(tǒng)功耗和成本。VCCA 和 VCCB 完全可在 0.72V 至 1.98V 范圍內(nèi)進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)靈活的 VCC 電源軌設(shè)計(jì)。由于具有對(duì)稱電源功能，因此 VCCA 和 VCCB 可以設(shè)置為相同的電壓。這使得 TCA39416 可以在相同電壓下為 I3C 總線提供額外的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度或信號(hào)增強(qiáng)。
內(nèi)部架構(gòu)包括一個(gè)具有集成上升時(shí)間加速器 (RTA) 和下降時(shí)間加速器 (FTA) 的無(wú)源 FET。RTA 可實(shí)現(xiàn) I3C 協(xié)議中所需的推挽信號(hào)傳輸、更高的數(shù)據(jù)速率和額外的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)在檢測(cè)到輸入的上升沿時(shí)提高輸出壓擺率來(lái)實(shí)現(xiàn)。在低電平到高電平轉(zhuǎn)換期間，繞過(guò)內(nèi)部上拉電阻器，從而暫時(shí)降低輸出電阻。RTA 和 FTA 都具有逐漸關(guān)閉 (GTO) 電路，可以盡可能減少在邊沿速率加速期間出現(xiàn)的過(guò)沖和下沖。該特性可提高 I3C 通信的信號(hào)完整性，尤其是在高傳輸速率下。TCA39416 還在 A 端口和 B 端口上集成了 10kΩ 上拉電阻器，從而有助于 I3C 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員節(jié)省成本和布板空間。
圖 2 TCA39416 應(yīng)用示意圖| TCA39306 | TCA39416 | |
|---|---|---|
| 支持的協(xié)議 | I3C、I2C、SMBus | I3C、I2C、SMBus |
| SCL 頻率 (MHz) | 12.5MHz | 12.5MHz |
| VCCA (V) | 0.9 – 5.5 | 0.72 - 1.98 |
| VCCB (V) | 1.8 – 5.5 | 0.72 - 1.98 |
| 電源依賴性 | VCCA + 0.6V ≤ VCCB | VCCA ≤ VCCB |
| SDR 模式 | ? | ? |
| HDR-DDR | ? | ? |
| 集成上拉電阻器 | X | ? |
| VCC = 0V 時(shí)的高阻態(tài) SDA 和 SCL 引腳 | ? | ? |
| 上升時(shí)間加速器 | X | ? |
| 可用封裝 (mm2) | SOT-23 (8.12mm2) VSSOP (6.2mm2) X2SON (1.08mm2) | SOT-23 (8.12mm2) X2SON (1.35mm2) |
I3C 兼容型多路復(fù)用器
多路復(fù)用器和開關(guān)用于從多個(gè)輸入和輸出進(jìn)行切換。多路復(fù)用器必須支持低導(dǎo)通電阻 (RON)、低導(dǎo)通電容 (CON)、高帶寬以及推挽和開漏接口，才能實(shí)現(xiàn) I3C 兼容性。支持?jǐn)嚯姼綦x功能的雙路 2:1 開關(guān) - TMUX136
TMUX136 是一款雙路 2:1 開關(guān)，工作電壓為 2.3V 至 4.8V。部分引腳與 1.8V 控制兼容，便于與低電壓微控制器和處理器集成。TMUX136 的開關(guān)架構(gòu)包括一個(gè)帶電荷泵的 NFET，從而可實(shí)現(xiàn)超低的 5.7Ω RON（典型值）和 1.6pF CON（典型值）。這樣可在 I3C 多路復(fù)用期間以超小的信號(hào)衰減提供快速響應(yīng)時(shí)間。
TMUX136 評(píng)定為具有 5kV 人體放電模型 (HBM) 和 1kV 充電器件模型 (CDM) ESD 性能。當(dāng) TMUX136 斷電時(shí)，隔離信號(hào)路徑。這樣就可以保護(hù)下游元件并消除對(duì)電源時(shí)序控制的需求。
圖 3 I3C DDR-DRAM 開關(guān)示例具有斷電隔離的高精度雙路 2:1 開關(guān) - TMUX121
TMUX121 是一款可實(shí)現(xiàn)雙向通信的低電容單極雙投 (SPDT) 開關(guān)。此器件由單個(gè) 3.3V 電源供電，允許對(duì) SEL 和 EN 進(jìn)行 1.8V 和 3.3V 控制。TMUX121 由于具有超低的 RON (3Ω)、CON (2pF) 和 TPD (60ns) 典型值，因此非常適合 I3C 應(yīng)用。
圖 4 TMUX121 典型 I3C 應(yīng)用具有斷電隔離功能的高 ESD 保護(hù)雙路 2:1 開關(guān) - TMUX154E
TMUX154E 是一款雙通道 2:1 開關(guān)，在所有 I/O 端口上都有 ESD 保護(hù)單元。VCC 電源的供電范圍是從 3V 至 4.3V，并且使用了與 1.8V 兼容的控制邏輯。I/O 端口允許輸入電壓高于 VCC。由于具有 900MHz 帶寬、RON (6Ω) 和 CON (7.5pF)，傳輸 I3C 信號(hào)時(shí)的相位失真和邊沿失真非常小。
根據(jù) JESD 22，TMUX154E 的額定防護(hù)能力可達(dá) 8kV 人體放電模型 (HBM) 和 1kV 充電器件模型 (CDM)。該器件還具有高電壓 ESD 性能，從 I/O 到 GND 的防護(hù)能力高達(dá) 15kV HBM。利用內(nèi)部 ESD 保護(hù)，無(wú)需外部保護(hù)器件，可更大限度地降低成本和減小設(shè)計(jì)尺寸。
圖 5 TMUX154E 應(yīng)用示意圖具有失效防護(hù)邏輯的四路 2:1 開關(guān) - TMUX1574
TMUX1574 支持 2Ω RON、7.5pF CON 和 2GHz 帶寬，可以確保在傳輸 I3C 信號(hào)時(shí)具有高信號(hào)完整性。該器件包括四個(gè) 2:1 SPDT 開關(guān)，使該器件可以支持兩個(gè)獨(dú)立的 I3C 通道（SDA 和 SCL）。通過(guò)集成額外通道，可減少 BOM 數(shù)量并簡(jiǎn)化 PCB 布局。TMUX1574 可在 1.5V 至 5.5V 的寬電源電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，具有符合要求的 1.8V 控制輸入。TMUX1574 還具有失效防護(hù)邏輯，讓控制輸入可以支持高達(dá) 5.5V 的電壓，而不用考慮 VDD。此功能可提供靈活的電源時(shí)序控制、減少 BOM 和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
圖 6 使用 TMUX1574 對(duì)兩個(gè) I3C 通道進(jìn)行多路復(fù)用| TMUX136 | TMUX121 | TMUX154E | TMUX1574 | |
|---|---|---|---|---|
| 支持的協(xié)議 | I3C、I2C、UART、LVDS、模擬 | I3C、I2C、UART、LVDS、模擬 | I3C、I2C、UART、LVDS、模擬 | 模擬、I2C、I2S、I3C、JTAG、MIPI、RGMII、SPI、TDM、UART |
| 配置 | 2:1 SPDT，2 通道 | 2:1 SPDT，2 通道 | 2:1 SPDT，2 通道 | 2:1 SPDT，4 通道 |
| I/O 電壓 (V) | 高達(dá) 3.6 | 高達(dá) 3.6 | 高達(dá) 5.25 | 高達(dá) 5.5 |
| 帶寬 (MHz) | 6000 | 3000 | 900 | 2000 |
| 典型導(dǎo)通電阻 (Ω) | 5.7 | 3 | 6 | 2 |
| 典型電容 (pF) | 1.5 | 2 | 7.5 | 7.5 |
| I/O 斷電保護(hù) | ? | ? | ? | ? |
| 接口 | 推挽 漏極開路 | |||
| 可用封裝 (mm2) | UQFN (3mm2) | UQFN (2.52mm2) | UQFN (2.52mm2) VSSOP (14.7mm2) | SOT-23 (8.4mm2) TSSOP (32mm2) UQFN (4.68mm2) |
啟用高驅(qū)動(dòng) I3C 路由
I3C 的其中一個(gè)重要限制是 50pF 的最大總線電容限制。相比之下，I2C 指定了 8 倍高的限制，即 400pF。降低最大負(fù)載條件會(huì)嚴(yán)重限制布線長(zhǎng)度和 I3C 總線可以管理的目標(biāo)器件數(shù)量。多個(gè)控制器和目標(biāo)之間的多點(diǎn)通信在信號(hào)路由、I2C/I3C 尋址和 I/O 電壓不匹配等方面增加了額外的挑戰(zhàn)。I3C 電平轉(zhuǎn)換器和多路復(fù)用器可以克服這些障礙。
TCA39416 提供低電壓電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)增強(qiáng)。在 0.8V 或 1.2V 的 I/O 電壓下運(yùn)行的主機(jī)處理器或微控制器可以有效地進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以便可以連接 1.8V I3C 元件。RTA 電路使 I3C 主機(jī)能夠向 I3C 總線提供信號(hào)增強(qiáng)功能。此功能使主機(jī)器件能夠驅(qū)動(dòng)更高的容性負(fù)載。
一個(gè)控制器可以利用 I3C 多路復(fù)用器與多個(gè) I3C 外設(shè)通信。多路復(fù)用器具有三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。首先，多路復(fù)用器允許一個(gè)控制器與多個(gè)下游器件連接，從而簡(jiǎn)化 I3C 信號(hào)路由。其次，通過(guò)開關(guān) I3C 器件，可以隔離總線上非活動(dòng)目標(biāo)增加的寄生電容。這使得控制器能夠在符合 I3C 負(fù)載規(guī)范的情況下與目標(biāo)進(jìn)行通信。第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是，多路復(fù)用可以在兩個(gè)目標(biāo)共享同一地址時(shí)消除沖突。I3C 與 I2C 向后兼容，且一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)可以有許多 I2C 和 I3C 器件。
圖 7 顯示了具有單個(gè) I3C 控制器和兩個(gè)可選目標(biāo)器件的示例應(yīng)用。TCA39416 和 TMUX136（雙路 2:1 多路復(fù)用器）結(jié)合在一起，解決了 I3C 面臨的挑戰(zhàn)，所以可為主機(jī)和目標(biāo)通信提供完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)將冗余外設(shè)多路復(fù)用到 I3C 傳輸線路，可以向系統(tǒng)添加冗余。也可以實(shí)施多路復(fù)用，從而提供對(duì)總線的調(diào)試端口訪問(wèn)。利用 TCA39416 和 TMUX136 的超小型封裝選項(xiàng)，可以更大限度地縮小 PCB 面積。該設(shè)計(jì)提供了與外設(shè)數(shù)量和所需功能相適應(yīng)的可擴(kuò)展性。例如，交換 TMUX1574（四路 2:1 多路復(fù)用器）可使 I3C 通道數(shù)翻倍。
圖 7 具有信號(hào)增強(qiáng)功能的靈活 2:1 I3C 總線 - TMUX136 + TCA39416一些設(shè)計(jì)需要兩個(gè) I3C 控制器來(lái)與同一組外設(shè)連接。交叉點(diǎn)將多個(gè)輸入信號(hào)定向到輸出。HDS3SS460 是 4 x 6 無(wú)源交叉點(diǎn)器件，支持超過(guò) 5Gbps 的信號(hào)速率。該器件可用作雙通道 2x3 I3C 交叉點(diǎn)。兩個(gè)通道的功能模式均根據(jù) POL、AMSEL 和 EN 引腳上的狀態(tài)進(jìn)行選擇。無(wú)法對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)控制。HD3SS460 的低 1pF CON 和 12Ω RON 可提供出色的 I3C 動(dòng)態(tài)性能。如圖 8 所示，一個(gè)通道包含兩個(gè)控制器和 3 個(gè)目標(biāo)。HD3SS460 的輸入通過(guò) TCA39416 來(lái)提升。
圖 8 高驅(qū)動(dòng) I3C 雙路 2x3 交叉點(diǎn) - HD3SS460 + TCA39416結(jié)論
TI 全面的 I3C 電平轉(zhuǎn)換和多路復(fù)用產(chǎn)品系列有助于克服與設(shè)計(jì)可靠的 I3C 接口相關(guān)的挑戰(zhàn)。電平轉(zhuǎn)換器是一種高效且具有成本效益的方法，可解決 I3C 鏈路上的 I/O 不匹配問(wèn)題。此外，TCA39416 的邊沿速率加速器提供額外的信號(hào)增強(qiáng)。具有高動(dòng)態(tài)開關(guān)性能的多路復(fù)用器通過(guò)隔離總線電容、更大限度地增加處理器 I/O 引腳并提高整體系統(tǒng)可靠性來(lái)簡(jiǎn)化 I3C 通信。