PCA9554A：遠(yuǎn)程 8 位 $I^{2}C$ 和 SMBus I/O 擴(kuò)展器的深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，I/O 擴(kuò)展器是經(jīng)常會(huì)用到的器件。今天我們要詳細(xì)探討的是德州儀器（TI）的 PCA9554A 遠(yuǎn)程 8 位 $I^{2}C$ 和 SMBus I/O 擴(kuò)展器，它具有中斷輸出和配置寄存器，在很多應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮重要作用。

文件下載：pca9554a.pdf

一、關(guān)鍵特性概述

PCA9554A 具有一系列令人矚目的特性，使其在眾多 I/O 擴(kuò)展器中脫穎而出。

• 寬電壓范圍：工作電源電壓范圍為 2.3 V 至 5.5 V，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 5 - V 容限 I/O：輸入輸出引腳可承受 5 V 電壓，增強(qiáng)了其在不同電壓系統(tǒng)中的兼容性。
• 高速通信：支持 400 - kHz 的快速 $I^{2}C$ 總線(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速度快。
• 多設(shè)備共享：通過(guò)三個(gè)硬件地址引腳（A0、A1、A2），允許最多八個(gè)設(shè)備共享同一 $I^{2}C/SMBus$。
• 中斷輸出：開(kāi)漏輸出的中斷引腳（INT），可在輸入狀態(tài)改變時(shí)通知系統(tǒng)主機(jī)，無(wú)需頻繁通過(guò) $I^{2}C$ 總線(xiàn)通信。
• 多種保護(hù)機(jī)制：具備內(nèi)部上電復(fù)位功能，上電時(shí)所有通道配置為輸入，無(wú)毛刺現(xiàn)象；閂鎖性能超過(guò) 100 mA（JESD 78，Class II）；ESD 保護(hù)超過(guò) JESD 22 標(biāo)準(zhǔn)，包括 2000 - V 人體模型（A114 - A）、200 - V 機(jī)器模型（A115 - A）和 1000 - V 充電設(shè)備模型（C101）。

二、詳細(xì)功能剖析

2.1 寄存器架構(gòu)

PCA9554A 包含四個(gè) 8 位寄存器，分別是配置寄存器、輸入寄存器、輸出寄存器和極性反轉(zhuǎn)寄存器。

• 配置寄存器：用于配置 I/O 引腳的方向，將對(duì)應(yīng)位設(shè)置為 1 時(shí)，引腳為高阻抗輸入；設(shè)置為 0 時(shí)，引腳為輸出。
• 輸入寄存器：反映引腳的實(shí)際邏輯電平，無(wú)論引腳被配置為輸入還是輸出，讀操作時(shí)可獲取引腳狀態(tài)。
• 輸出寄存器：控制輸出引腳的邏輯電平，寫(xiě)操作可改變輸出狀態(tài)。
• 極性反轉(zhuǎn)寄存器：對(duì)配置為輸入的引腳進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)，若某位設(shè)置為 1，對(duì)應(yīng)引腳極性反轉(zhuǎn)；設(shè)置為 0，則保持原極性。

2.2 功能模式

2.2.1 上電復(fù)位

當(dāng)電源（從 0 V）施加到 $V{CC}$ 時(shí)，內(nèi)部上電復(fù)位將 PCA9554A 保持在復(fù)位狀態(tài)，直到 $V{CC}$ 達(dá)到 $V{PORR}$。此時(shí)，復(fù)位狀態(tài)解除，寄存器和 $I^{2}C/SMBus$ 狀態(tài)機(jī)初始化到默認(rèn)狀態(tài)。要進(jìn)行電源復(fù)位循環(huán)，需將 $V{CC}$ 降至 0.2 V 以下，再升至工作電壓。

2.2.2 I/O 端口

• 輸入模式：當(dāng) I/O 配置為輸入時(shí)，F(xiàn)ETs Q1 和 Q2 關(guān)閉，形成高阻抗輸入，并有一個(gè)弱上拉（典型值 100 kΩ）連接到 $V{CC}$，輸入電壓可升至 $V{CC}$ 以上，但最大不超過(guò) 5.5 V。
• 輸出模式：當(dāng) I/O 配置為輸出時(shí)，根據(jù)輸出端口寄存器的狀態(tài)，Q1 或 Q2 啟用，I/O 引腳與 $V_{CC}$ 或 GND 之間形成低阻抗路徑，外部施加的電壓不應(yīng)超過(guò)推薦水平。

2.2.3 中斷輸出（INT）

在輸入模式下，端口輸入的上升或下降沿會(huì)產(chǎn)生中斷。經(jīng)過(guò)時(shí)間 $t_{iv}$ 后，信號(hào) INT 有效。當(dāng)端口數(shù)據(jù)恢復(fù)到原始設(shè)置或從產(chǎn)生中斷的端口讀取數(shù)據(jù)時(shí)，中斷電路復(fù)位。在讀取模式下，SCL 信號(hào)上升沿后的確認(rèn)（ACK）或非確認(rèn)（NACK）位處發(fā)生復(fù)位。不過(guò)，需要注意的是，在 ACK 或 NACK 時(shí)鐘脈沖期間發(fā)生的中斷可能會(huì)丟失。

2.3 編程接口

PCA9554A 通過(guò) $I^{2}C$ 接口進(jìn)行通信，通信過(guò)程遵循 $I^{2}C$ 總線(xiàn)協(xié)議。

• 起始條件：主設(shè)備發(fā)送起始條件（SDA 輸入/輸出在 SCL 輸入為高電平時(shí)從高到低轉(zhuǎn)換），啟動(dòng)通信。
• 設(shè)備地址：發(fā)送設(shè)備地址字節(jié)（包括數(shù)據(jù)方向位 R/$overline{W}$），從設(shè)備接收到有效地址字節(jié)后，以確認(rèn)（ACK）響應(yīng)。
• 數(shù)據(jù)傳輸：每個(gè)時(shí)鐘脈沖傳輸一位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在 SCL 高脈沖期間必須保持穩(wěn)定。
• 停止條件：主設(shè)備發(fā)送停止條件（SDA 輸入/輸出在 SCL 輸入為高電平時(shí)從低到高轉(zhuǎn)換），結(jié)束通信。

三、規(guī)格參數(shù)解讀

3.1 絕對(duì)最大額定值

該器件的絕對(duì)最大額定值規(guī)定了其能承受的極限應(yīng)力，如 $V_{CC}$ 范圍為 - 0.5 V 至 6 V，輸入和輸出電壓范圍為 - 0.5 V 至 6 V 等。超過(guò)這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

3.2 ESD 額定值

PCA9554A 具有良好的 ESD 保護(hù)性能，人體模型（HBM）可達(dá) 2000 V，充電設(shè)備模型（CDM）可達(dá) 1000 V，這有助于提高器件在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。

3.3 推薦工作條件

推薦的工作條件包括 $V{CC}$ 范圍為 2.3 V 至 5.5 V，高電平輸入電壓（$V{IH}$）和低電平輸入電壓（$V_{IL}$）的具體要求等，遵循這些條件能確保器件正常工作。

3.4 電氣特性

電氣特性涵蓋了輸入二極管鉗位電壓、上電復(fù)位電壓、輸出高低電平電壓等參數(shù)。例如，P 端口高電平輸出電壓（$V{OH}$）在不同 $V{CC}$ 和負(fù)載電流下有不同的值，這對(duì)于設(shè)計(jì)人員評(píng)估輸出驅(qū)動(dòng)能力很重要。

3.5 $I^{2}C$ 接口時(shí)序要求

$I^{2}C$ 接口時(shí)序要求規(guī)定了時(shí)鐘頻率、數(shù)據(jù)建立時(shí)間、保持時(shí)間等參數(shù)，確保 $I^{2}C$ 通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)建議

4.1 典型應(yīng)用

PCA9554A 可用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如擴(kuò)展微控制器的 I/O 端口。在典型應(yīng)用中，可根據(jù)需求配置不同的 I/O 引腳為輸入或輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集。

4.2 降低 $I_{CC}$ 設(shè)計(jì)

當(dāng) I/O 用于控制 LED 時(shí)，為降低功耗，可采用兩種方法：一是在 LED 上并聯(lián)一個(gè)高值電阻；二是使 $V{CC}$ 比 LED 電源電壓至少低 1.2 V，以確保 LED 熄滅時(shí) I/O 引腳電壓大于或等于 $V{CC}$，減少額外的電源電流消耗。

4.3 電源供應(yīng)建議

在電源供應(yīng)方面，要注意上電復(fù)位要求。PCA9554A 的上電復(fù)位需要進(jìn)行電源循環(huán)，同時(shí)要關(guān)注電源的下降和上升速率、重新斜坡時(shí)間等參數(shù)。電源中的毛刺也可能影響上電復(fù)位性能，需要合理設(shè)計(jì)電源電路以避免此類(lèi)問(wèn)題。

五、總結(jié)與思考

PCA9554A 作為一款功能強(qiáng)大的 I/O 擴(kuò)展器，在 $I^{2}C$ 通信、中斷輸出和配置靈活性等方面表現(xiàn)出色。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要充分理解其特性和規(guī)格參數(shù)，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。同時(shí)，要注意一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，如中斷誤觸發(fā)的解決方法、電源穩(wěn)定性等。大家在使用 PCA9554A 過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。

希望通過(guò)這篇文章，能幫助電子工程師們更好地了解和應(yīng)用 PCA9554A 這款器件，在設(shè)計(jì)中發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)。