PCA9535 16位 I2C 和 SMBus 低功耗 I/O 擴展器：高效設計與應用指南

在電子設計領域，I/O 擴展器是連接微控制器與外部設備的關鍵組件。本文將詳細探討 Texas Instruments 的 PCA9535 16 位 I2C 和 SMBus 低功耗 I/O 擴展器，涵蓋其特性、技術規格、功能模式、編程方法以及典型應用等多個方面，為工程師的實際設計提供全面的參考。

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1. 特性概覽

PCA9535 具有眾多令人矚目的特性，使其在各類應用中脫穎而出。

• 低功耗運行：最大待機電流僅 1 μA，非常適合對能耗要求嚴苛的電池供電設備。
• 通信接口：作為 I2C 到并行端口擴展器，借助 400 - kHz 的快速 I2C 總線，可實現與大多數微控制器的高效通信。
• 中斷功能：采用開漏低電平有效中斷輸出（INT），當輸入狀態變化時，能及時通知系統主設備，無需頻繁通過 I2C 總線通信。
• 高兼容性：I/O 端口具備 5 - V 容差能力，能與不同電壓標準的設備相兼容。
• 地址靈活配置：通過三個硬件地址引腳（A0、A1、A2），可設置多達八個不同的 I2C 地址，方便多個設備共享同一總線。
• 極性反轉功能：極性反轉寄存器可對輸入端口的極性進行靈活調整。
• 高驅動能力：輸出具有鎖存功能和高電流驅動能力，能夠直接驅動 LED 等負載。
• 高可靠性：閂鎖性能超過 100 mA（符合 JESD 78，Class II 標準），ESD 保護也滿足嚴格要求（人體模型 2000 - V，帶電設備模型 1000 - V）。

2. 技術規格與性能指標

2.1 絕對最大額定值

PCA9535 明確規定了在不同條件下的絕對最大額定值，包括電源電壓范圍（- 0.5 V 至 6 V）、輸入輸出電壓范圍（- 0.5 V 至 6 V）、輸入輸出鉗位電流以及連續輸出電流等參數。這些參數為設計人員在電路設計中提供了安全邊界，避免因超出額定值導致器件損壞。

2.2 ESD 額定值

該器件的 ESD 保護能力達到人體模型（HBM）2000 - V 和帶電設備模型（CDM）1000 - V，有效增強了器件在實際應用中的抗靜電干擾能力，降低因靜電放電造成的損壞風險。

2.3 推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓范圍（2.3 V 至 VCC）、輸入輸出電壓電平以及工作溫度范圍（- 40°C 至 85°C）等。在這些條件下使用，可確保器件性能的穩定性和可靠性。

2.4 電氣特性

電氣特性涵蓋了輸入二極管鉗位電壓、上電復位電壓（VPORR 和 VPORF）、P 端口高低電平輸出電壓、輸入輸出電流等多項關鍵指標。這些參數在不同電源電壓和溫度條件下有所變化，設計時需結合具體應用場景進行合理選擇。

2.5 I2C 接口時序要求

I2C 接口的時鐘頻率最高可達 400 kHz，并對時鐘高/低時間、數據建立/保持時間、輸入/輸出上升/下降時間等時序參數做出了明確規定。嚴格遵循這些時序要求，才能保證 I2C 總線通信的穩定性和準確性。

3. 功能模式詳解

3.1 上電復位

當電源（VCC）從零電壓開始上升時，內部上電復位功能會使 PCA9535 處于復位狀態，直至 VCC 達到 VPOR 閾值。此時，復位狀態解除，所有寄存器和 I2C/SMBus 狀態機將初始化為默認狀態。要進行再次復位，需將 VCC 降低至 0.2 V 以下，然后再回升到工作電壓。

3.2 I/O 端口配置

I/O 端口可靈活配置為輸入或輸出模式。配置為輸入時，場效應晶體管（FETs）Q1 和 Q2 關閉，形成高阻抗輸入，輸入電壓最高可承受 5.5 V。配置為輸出時，根據輸出端口寄存器的狀態，Q1 或 Q2 導通，在 I/O 引腳與 VCC 或 GND 之間形成低阻抗路徑。需注意的是，外部施加到 I/O 引腳的電壓不應超過推薦工作范圍。

3.3 中斷輸出

在輸入模式下，端口輸入的任何上升或下降沿都會觸發中斷。經過時間 $t_{iv}$ 后，中斷信號 INT 有效。要復位中斷電路，可通過改變端口數據到原始設置，或者讀取產生中斷的端口數據來實現。復位操作在讀取模式下的確認（ACK）或非確認（NACK）位后，SCL 信號上升沿時發生。需要注意的是，在 ACK 或 NACK 時鐘脈沖期間發生的中斷可能會丟失或持續時間極短。此外，將 I/O 從輸出模式切換到輸入模式時，如果引腳狀態與輸入端口寄存器內容不匹配，可能會引發誤中斷。每個 8 位端口獨立讀取，端口 0 產生的中斷不會因讀取端口 1 而清除，反之亦然。INT 輸出為開漏結構，需要連接上拉電阻到 VCC。

4. 編程與通信

4.1 I2C 接口通信

PCA9535 采用標準的 I2C 總線進行通信，該總線由串行時鐘（SCL）和串行數據（SDA）線組成。通信開始前，總線必須處于空閑狀態。主設備通過發送起始條件（SDA 線在 SCL 線為高電平時由高到低的轉換）來啟動通信，隨后發送設備地址字節（包含數據方向位 R/W）。設備在接收到有效地址字節后，會通過拉低 SDA 線進行響應（ACK）。在通信過程中，每個時鐘脈沖僅傳輸一位數據，SDA 線的數據在時鐘高電平期間必須保持穩定。主設備通過發送停止條件（SDA 線在 SCL 線為高電平時由低到高的轉換）來結束通信。

4.2 寄存器映射與操作

PCA9535 擁有多個寄存器，包括輸入端口寄存器、輸出端口寄存器、極性反轉寄存器和配置寄存器。這些寄存器以四個寄存器對的形式工作，分別對應不同的功能。

• 輸入端口寄存器：反映引腳的實際邏輯電平，無論引腳在配置寄存器中被定義為輸入還是輸出。
• 輸出端口寄存器：顯示配置為輸出的引腳的邏輯電平，讀取該寄存器得到的是控制輸出選擇的觸發器的值，而非引腳的實際值。
• 極性反轉寄存器：可對配置為輸入的引腳進行極性反轉操作。
• 配置寄存器：用于配置 I/O 引腳的方向，將對應位設置為 1 則使端口引腳作為高阻抗輸入，設置為 0 則作為輸出。

數據通過寫入和讀取命令在主設備和 PCA9535 之間進行交換。寫入時，主設備發送設備地址和命令字節，確定要寫入的寄存器，后續數據將依次寫入相應寄存器。讀取時，主設備先發送寫命令指定要讀取的寄存器，然后通過重啟發送讀命令，開始接收寄存器中的數據。

5. 應用建議

5.1 典型應用示例

PCA9535 可廣泛應用于需要擴展 I/O 端口的系統中，如工業控制、智能家居、消費電子等。在典型應用電路中，部分 I/O 引腳可配置為輸出，用于控制外部設備，如 LED 燈；部分引腳配置為輸入，用于讀取傳感器數據或外部信號。

5.2 降低功耗設計

在使用 I/O 控制 LED 時，為了降低功耗，可采用兩種方法。一是在 LED 上并聯一個高值電阻，二是使 VCC 比 LED 電源電壓至少低 1.2 V。這兩種方法均能使 I/O 的 $V{IN}$ 保持在 $V{CC}$ 或以上，避免在 LED 關閉時產生額外的電源電流消耗，特別適用于電池供電的應用場景。

5.3 電源供應與復位

PCA9535 的上電復位功能在遇到電源故障或數據損壞時非常有用。通過使設備經歷一次電源循環（將 VCC 降低到特定閾值以下再回升），可將其恢復到默認狀態。同時，電源供應中的毛刺可能會影響上電復位性能，毛刺寬度（VCC_GW）和高度（VCC_GH）相互關聯，旁路電容、源阻抗和設備阻抗等因素也會對其產生影響。因此，在設計電源電路時，需充分考慮這些因素，確保設備的穩定運行。

6. 總結

PCA9535 作為一款功能強大的 16 位 I2C 和 SMBus 低功耗 I/O 擴展器，憑借其豐富的特性、良好的兼容性和高可靠性，為電子工程師在設計中提供了靈活且可靠的解決方案。通過深入理解其技術規格、功能模式和編程方法，并結合實際應用需求進行合理設計，能夠有效擴展微控制器的 I/O 能力，提升系統的性能和穩定性。在實際應用中，還需關注電源供應、ESD 保護等方面的問題，以確保設備在各種環境下都能正常工作。

你在使用 PCA9535 進行設計時遇到過哪些挑戰呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。