Texas Instruments PCA9536：4位I2C和SMBus I/O擴(kuò)展器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，I/O擴(kuò)展器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能擴(kuò)展的重要組件。今天，我們要深入探討的是Texas Instruments的PCA9536，一款專為I2C總線設(shè)計(jì)的4位I/O擴(kuò)展器，它在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了卓越的性能。

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1. 產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1.1 封裝與功耗優(yōu)勢(shì)

PCA9536采用了Texas Instruments的NanoFree?封裝，不僅體積小巧，而且待機(jī)電流極低，最大僅為1μA，這對(duì)于對(duì)功耗敏感的應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

1.2 電源與接口特性

• 寬電壓范圍：其工作電源電壓范圍為2.3V至5.5V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
• 高耐壓I/O端口：I/O端口具備5V耐壓能力，增強(qiáng)了其在不同電壓系統(tǒng)中的兼容性。
• 高速I(mǎi)2C總線：支持400kHz的快速I(mǎi)2C總線，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?

  1.3 豐富的寄存器功能

  擁有輸入和輸出配置寄存器、極性反轉(zhuǎn)寄存器，還具備內(nèi)部上電復(fù)位功能，上電時(shí)無(wú)毛刺，且所有通道默認(rèn)配置為輸入。

  1.4 抗干擾與驅(qū)動(dòng)能力

• 噪聲過(guò)濾：SCL/SDA輸入帶有噪聲濾波器，有效提高了信號(hào)的穩(wěn)定性。
• 強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力：鎖存輸出具有高電流驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)LED。

  1.5 高可靠性設(shè)計(jì)

• 閂鎖性能：閂鎖性能超過(guò)每JESD 78、II類的100mA。
• ESD保護(hù)：ESD保護(hù)超過(guò)JESD 22標(biāo)準(zhǔn)，包括2000V人體模型、200V機(jī)器模型和1000V充電設(shè)備模型。

2. 應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

PCA9536的應(yīng)用場(chǎng)景十分豐富，涵蓋了個(gè)人電子產(chǎn)品（如可穿戴設(shè)備、手機(jī)、游戲機(jī)）以及服務(wù)器、路由器等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，它能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供通用的遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展功能。

3. 產(chǎn)品詳細(xì)描述

3.1 基本功能概述

PCA9536專為2.3V至5.5V的VCC操作而設(shè)計(jì)，通過(guò)I2C接口為大多數(shù)微控制器家族提供通用的遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展。它包含配置、輸入端口、輸出端口和極性反轉(zhuǎn)寄存器，上電時(shí)I/O默認(rèn)配置為輸入，系統(tǒng)控制器可通過(guò)寫(xiě)入I/O配置寄存器位將其設(shè)置為輸入或輸出。

3.2 寄存器功能詳解

• 輸入端口寄存器：反映引腳的邏輯電平，無(wú)論引腳是輸入還是輸出，該寄存器僅在讀取操作時(shí)起作用。
• 輸出端口寄存器：顯示配置為輸出的引腳的邏輯電平，讀取該寄存器反映的是控制輸出選擇的觸發(fā)器的值。
• 極性反轉(zhuǎn)寄存器：可對(duì)配置為輸入的引腳進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)。
• 配置寄存器：用于配置I/O引腳的方向。

  3.3 上電復(fù)位與狀態(tài)控制

  系統(tǒng)控制器可利用上電復(fù)位功能在超時(shí)或其他異常操作時(shí)對(duì)PCA9536進(jìn)行復(fù)位，使寄存器恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)并初始化I2C/SMBus狀態(tài)機(jī)。

4. 規(guī)格參數(shù)剖析

4.1 絕對(duì)最大額定值

了解PCA9536的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。這些參數(shù)包括電源電壓、輸入電壓、輸出電壓、輸入/輸出鉗位電流等，超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

4.2 ESD評(píng)級(jí)

PCA9536具有良好的ESD保護(hù)能力，其人體模型（HBM）為2000V，機(jī)器模型（MM）為200V，充電設(shè)備模型（CDM）為1000V，這使得它在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效抵御靜電干擾。

4.3 推薦工作條件

為了使PCA9536發(fā)揮最佳性能，需要在推薦的工作條件下使用，包括電源電壓、輸入/輸出電流、工作溫度等。

4.4 熱信息

熱信息對(duì)于評(píng)估器件在不同工作環(huán)境下的散熱性能非常重要。PCA9536提供了結(jié)到環(huán)境、結(jié)到外殼、結(jié)到電路板的熱阻等參數(shù)，幫助工程師進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

4.5 電氣特性

電氣特性參數(shù)詳細(xì)描述了PCA9536在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，如輸入二極管鉗位電壓、上電復(fù)位電壓、輸出高低電平電壓、輸入/輸出電流等。

4.6 I2C接口時(shí)序要求

I2C接口時(shí)序要求規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間參數(shù)，包括時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘高低時(shí)間、數(shù)據(jù)建立和保持時(shí)間等，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4.7 開(kāi)關(guān)特性

開(kāi)關(guān)特性描述了輸入輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，對(duì)于高速數(shù)據(jù)處理應(yīng)用具有重要意義。

4.8 典型特性曲線

典型特性曲線直觀地展示了PCA9536在不同溫度、電壓、負(fù)載條件下的性能變化，如電源電流與溫度、電源電壓的關(guān)系，輸出高低電平電壓與溫度的關(guān)系等。

5. 參數(shù)測(cè)量信息

在進(jìn)行參數(shù)測(cè)量時(shí)，需要注意負(fù)載配置和電壓波形的要求。例如，負(fù)載電容應(yīng)包括探頭和夾具的電容，所有輸入信號(hào)應(yīng)由具有特定特性的發(fā)生器提供。

6. 詳細(xì)設(shè)計(jì)與編程

6.1 功能框圖

PCA9536的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括I2C總線控制、輸入濾波、I/O端口、移位寄存器、上電復(fù)位等模塊，幫助我們理解其工作原理。

6.2 特性描述

• I/O端口配置：當(dāng)I/O配置為輸入時(shí)，呈現(xiàn)高阻抗并帶有弱上拉；配置為輸出時(shí)，可提供低阻抗路徑。
• 上電復(fù)位模式：上電時(shí)，內(nèi)部上電復(fù)位將器件保持在復(fù)位狀態(tài)，直到VCC達(dá)到VPOR，之后器件寄存器和I2C/SMBus狀態(tài)機(jī)初始化到默認(rèn)狀態(tài)。
• 上電工作模式：當(dāng)VCC高于VPORR且上電復(fù)位完成后，器件進(jìn)入工作模式，可接受I2C請(qǐng)求并監(jiān)測(cè)輸入端口變化。

  6.3 編程要點(diǎn)

  6.3.1 I2C接口通信

  I2C接口通信通過(guò)SCL和SDA線進(jìn)行，數(shù)據(jù)傳輸需在總線空閑時(shí)啟動(dòng)。通信開(kāi)始時(shí)，控制器發(fā)送起始條件，隨后發(fā)送設(shè)備地址字節(jié)，包括數(shù)據(jù)方向位（R/W）。設(shè)備接收到有效地址字節(jié)后會(huì)進(jìn)行應(yīng)答（ACK），數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，SDA線在SCL高電平時(shí)必須保持穩(wěn)定。

  6.3.2 寄存器映射

  PCA9536的寄存器映射包括設(shè)備地址、控制寄存器和命令字節(jié)。設(shè)備地址的最后一位定義了讀寫(xiě)操作，控制寄存器存儲(chǔ)命令字節(jié)，用于指定操作和影響的內(nèi)部寄存器。

  6.3.3 寄存器描述

  詳細(xì)介紹了輸入端口、輸出端口、極性反轉(zhuǎn)和配置寄存器的功能和操作方法。

  6.3.4 總線事務(wù)

  總線事務(wù)包括寫(xiě)操作和讀操作。寫(xiě)操作時(shí)，發(fā)送設(shè)備地址和命令字節(jié)，確定接收數(shù)據(jù)的寄存器；讀操作時(shí)，先發(fā)送設(shè)備地址和命令字節(jié)，然后重新啟動(dòng)發(fā)送讀地址，接收寄存器數(shù)據(jù)。

7. 應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)建議

7.1 應(yīng)用信息免責(zé)聲明

需要注意的是，應(yīng)用部分的信息并非TI組件規(guī)格的一部分，用戶需自行確定組件的適用性并進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和測(cè)試。

7.2 典型應(yīng)用示例

給出了一個(gè)典型應(yīng)用示例，展示了PCA9536在I2C系統(tǒng)中的使用方式，包括與溫度傳感器、計(jì)數(shù)器等子系統(tǒng)的連接。

7.3 設(shè)計(jì)要求與優(yōu)化

7.3.1 降低ICC的方法

當(dāng)I/O用于控制LED時(shí)，為了降低電源電流ICC，可采用在LED并聯(lián)高值電阻或使VCC低于LED電源電壓至少1.2V的方法，以保持I/O的VIN大于或等于VCC。

7.3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

選擇SCL和SDA線的上拉電阻時(shí)，需考慮I2C總線上所有目標(biāo)的總電容。最小上拉電阻與VCC、VOL(max)和IOL有關(guān)，最大上拉電阻與最大上升時(shí)間和總線電容有關(guān)。

7.3.3 應(yīng)用曲線參考

提供了最大上拉電阻與總線電容、最小上拉電阻與上拉參考電壓的關(guān)系曲線，幫助工程師進(jìn)行電阻選擇。

8. 電源供應(yīng)建議

8.1 上電復(fù)位問(wèn)題

如果VCC斜坡超出規(guī)定范圍，可能會(huì)錯(cuò)過(guò)上電復(fù)位條件，導(dǎo)致器件鎖定。因此，建議ToFF > 100ms且TRISE < 10ms。

8.2 系統(tǒng)影響

VCC斜坡條件不滿足要求會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意。

9. 布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

9.1 布局準(zhǔn)則

在進(jìn)行PCA9536的PCB布局時(shí)，應(yīng)遵循常見(jiàn)的PCB布局原則，如避免信號(hào)走線直角、分散信號(hào)走線、使用較粗的電源和地走線等。同時(shí)，旁路和去耦電容應(yīng)盡量靠近器件放置。對(duì)于高密度信號(hào)布線的電路板，4層板是更優(yōu)選擇。

9.2 布局示例

給出了一個(gè)布局示例，展示了PCA9536在PCB上的布線方式。

10. 設(shè)備與文檔支持

10.1 文檔支持

提供了相關(guān)的文檔資源，如I2C總線拉電阻計(jì)算、I2C總線最大時(shí)鐘頻率等，幫助工程師深入了解和使用PCA9536。

10.2 文檔更新通知

用戶可通過(guò)ti.com訂閱文檔更新通知，及時(shí)獲取產(chǎn)品信息的變化。

10.3 支持資源

TI E2E?支持論壇是獲取快速、準(zhǔn)確答案和設(shè)計(jì)幫助的重要渠道。

10.4 商標(biāo)與注意事項(xiàng)

注意NanoFree?和TI E2E?是Texas Instruments的商標(biāo)，同時(shí)要注意靜電放電對(duì)器件的影響，遵循正確的處理和安裝程序。

11. 機(jī)械、包裝與訂購(gòu)信息

詳細(xì)介紹了PCA9536的包裝選項(xiàng)、材料類型、引腳數(shù)量、包裝數(shù)量、載體、RoHS合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL評(píng)級(jí)/峰值回流溫度、工作溫度和器件標(biāo)記等信息，為工程師的采購(gòu)和使用提供了全面的參考。

PCA9536作為一款功能強(qiáng)大的I/O擴(kuò)展器，在性能、可靠性和易用性方面都表現(xiàn)出色。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮其特性和參數(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布局，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。你在使用PCA9536的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。