ZHCAEI4 September 2024 PCA9306 , TCA39306 , TCA9548A

2 TCA39306 电平转换示例

图 2-1 是一种在 I²C 控制器和 I²C 目标器件之间使用 TCA39306 I3C 电平转换器的电压转换应用。TCA39306 是无源器件，向后兼容 I²C。

图 2-1 使用 TCA39306 电平转换器的电压转换示例

该示例的电气设置如下：

R_PU = 10kΩ

V_CC1 = 3.3V

V_CC2 = 5.0V

TCA39306 设置为电平转换模式。TCA39306 EN 和 V_REF2 引脚已短接在一起（EN 和 V_REF2 引脚连接表示为 EN+REF2）。这实际上会形成一个类似二极管的结构，将 V_EN+REF2 电压设置为：

方程式 1.

V_{E N + R E F 2} = 3 . 3V + V_{T H}

其中，V_TH 是室温下大约 0.6V 的 passFET 阈值电压。在电平转换器中，将 SCL1 连接到 SCL2 并将 SDA1 连接到 SDA2 的每个 FET 的栅极会偏置到该 V_EN+REF2 电压。因此，每个 passFET 栅极电压会调整为：

方程式 2.

V_{G A T E} = 3 . 3V + V_{T H}

源极电压是上拉电阻器连接引起的电源电压，V_SOURCE = 3.3V。

方程式 3.

V_{G S} = 3 . 3V + V_{T H} - 3.3 V = V_{T H}

由于 V_GS = V_TH，passFET 位于截止区域的边缘。当控制器拉至 V_OL = 0.4V 的逻辑低电平时，源极电压等于开漏驱动器的 V_OL。V_SOURCE = V_OL = 0.4V。因此，栅源电压变为：

方程式 4.

V_{G S} = V_{G A T E} - V_{S O U R C E} = 3 . 9V - 0 . 4V = 3 . 5V > V_{T H} = 0 . 6V

passFET 充当线性工作区域中的开关，并且由于 3.5V 远高于阈值电压，因此会强导通。电流从两个电源轨 V_CC1 和 V_CC2 流经上拉电阻器，再经由控制器的开漏驱动器流向 GND，如图 2-2 所示。

图 2-2 控制器将 SDA 拉至低电平

当控制器释放总线时，SDA 通过上拉电阻器上升回 V_CC1。V_GS 会降低，并且 passFET 进入类似于高阻抗状态的截止区域。由于 passFET 漏极和源极端子是可互换的，因此目标器件可以将 SDA 总线拉低。在图 2-3 中，目标器件将 SDA 拉至低电平 (V_OL = 0.4V)。一旦 V_GS 超过 V_TH = 0.6V，内部 passFET 就会导通，电流会从两个电源通过开漏驱动器流向 GND，类似于控制器在第一个示例中被拉低的情况。

图 2-3 目标器件将 SDA 拉至低电平

passFET 的简单设计可实现无缝双向电平转换。TCA39306 可实现两个电源轨之间的 I2C 电平转换。在逻辑低电平状态下，控制器和目标器件都会检测到 V_OL = 0.4V。在逻辑高电平状态下，由于 passFET 在 TCA39306 内部产生分离，控制器会检测到 3.3V 电压，而目标器件会检测到 5.0V 电压。