PCA9538：8位I²C和SMBus低功耗I/O扩展器的全面解析

在电子设计领域，I/O扩展器是一种常见且实用的器件，它可以帮助我们在有限的I/O资源下扩展更多的输入输出接口。PCA9538就是这样一款优秀的远程8位I²C和SMBus低功耗I/O扩展器，下面我们就来详细了解一下它。

文件下载：pca9538.pdf

一、PCA9538的特性亮点

低功耗设计

PCA9538的待机电流最大仅为1μA，这在对功耗要求较高的应用场景中，如电池供电设备，具有显著的优势，能够有效延长设备的续航时间。

多功能接口

它是I²C到并行端口的扩展器，支持400kHz的快速I²C总线，同时具备开放漏极有源低电平中断输出和有源低电平复位输入功能。中断输出可以方便地与微控制器的中断输入相连，及时通知微控制器输入端口状态的变化；复位输入则能让设备恢复到默认状态。

宽电压范围与高耐受性

工作电源电压范围为2.3V至5.5V，I/O端口具有5V的耐受性，这使得它可以与不同电压等级的设备兼容，提高了设计的灵活性。

可配置性强

拥有输入和输出配置寄存器以及极性反转寄存器，在电源开启时，所有通道默认配置为输入，且上电无毛刺。此外，SCL/SDA输入还带有噪声滤波器，能够有效提高信号的稳定性。

高驱动能力与可靠性

输出具有锁存功能，具备高电流驱动能力，可直接驱动LED。同时，其闩锁性能超过100mA，ESD保护也满足相关标准，如2000V人体模型、200V机器模型和1000V充电设备模型，保证了设备在复杂环境下的可靠性。

二、PCA9538的详细描述

PCA9538是一款通用的8位I/O扩展器，适用于I²C总线（或SMBus）协议。它可以在2.3V至5.5V的电源范围内工作，支持100kHz（标准模式）和400kHz（快速模式）的时钟频率。当需要为开关、传感器、按钮、LED、风扇等设备添加额外的I/O接口时，PCA9538能提供简单有效的解决方案。

地址配置

通过两个硬件地址引脚A0和A1，最多可以在同一I²C/SMBus上连接四个PCA9538设备，方便进行多设备的扩展。

中断功能

当输入端口状态发生变化时，INT引脚会产生中断信号。这个中断信号可以连接到微控制器的中断输入，让远程I/O在不通过I²C总线通信的情况下，通知微控制器端口有数据输入，使PCA9538可以作为一个简单的从设备运行。

输出驱动

设备的输出具有高电流驱动能力，可直接驱动LED，并且功耗较低。

三、PCA9538的规格参数

绝对最大额定值

在正常工作的自由空气温度范围内，电源电压Vcc的范围为 -0.5V至6V，输入电压Vi和输出电压Vo同样为 -0.5V至6V。当电压超出这些范围时，可能会对设备造成永久性损坏。

ESD额定值

PCA9538的静电放电额定值较高，人体模型（HBM）为2000V，充电设备模型（CDM）为1000V，这意味着它在静电环境下具有较好的抗干扰能力。

推荐工作条件

推荐的电源电压范围为2.3V至5.5V，不同引脚的高电平输入电压和低电平输入电压也有相应的要求。例如，SCL、SDA的高电平输入电压VIH为0.7xVcc至Vcc，低电平输入电压VIL为 -0.5V至0.3xVcc。

热信息

不同封装的PCA9538具有不同的热阻特性，如DB（SSOP）16引脚封装的结到环境热阻为113.2°C/W。了解这些热信息对于散热设计非常重要。

电气特性

PCA9538的电气特性涵盖了输入二极管钳位电压、上电复位电压、输出高低电平电压等多个参数。例如，P端口在不同电源电压和负载电流下的输出高电平电压和输出低电平电压都有明确的规定。

I²C接口时序要求

I²C接口的时序要求对于数据的准确传输至关重要。PCA9538在标准模式和快速模式下都有相应的时钟频率、时钟高低时间、数据建立和保持时间等要求。例如，在快速模式下，I²C时钟频率为400kHz，时钟高时间为0.6μs，时钟低时间为1.3μs。

四、PCA9538的功能模式与编程

功能模式

复位输入

RESET输入可以在保持Vcc处于工作电平的情况下，将系统复位。只需将RESET引脚拉低至少tw时间，PCA9538的寄存器和I²C/SMBus状态机就会恢复到默认状态。不过需要注意的是，如果RESET电压设置高于Vcc，会有电流从RESET引脚流向Vcc引脚，导致Vcc电压升高。解决办法是确保RESET电压等于或低于Vcc。

上电复位

当电源从0V施加到Vcc时，内部的上电复位会使PCA9538处于复位状态，直到Vcc达到VPOR。此时，复位条件解除，寄存器和I²C/SMBus状态机初始化到默认状态。要进行一次电源复位循环，需要将Vcc降低到0.2V以下，然后再恢复到工作电压。

I/O端口

I/O端口可以配置为输入或输出。当配置为输入时，FETs Q1和Q2关闭，形成高阻抗输入，输入电压可以高于Vcc，但最大不超过5.5V。当配置为输出时，Q1或Q2会根据输出端口寄存器的状态开启，此时I/O引脚与Vcc或GND之间存在低阻抗路径，外部施加的电压必须在推荐范围内。

中断输出

当输入模式下端口输入的上升或下降沿发生变化时，会产生中断信号。经过时间tiv后，INT信号有效。中断电路的复位可以通过将端口数据恢复到原始设置或读取产生中断的端口数据来实现。不过要注意，如果最后写入设备的I²C命令字节为00h，并且总线上的其他从设备对地址字节进行了确认（R/W位设置为高），INT可能会被错误地解除断言。解决方法是在对PCA9538设备进行读操作后或在读取其他从设备之前，将命令字节改为非00h。

编程

PCA9538的编程主要通过I²C接口进行。I²C总线由串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线组成，两条线都需要通过上拉电阻连接到正电源。数据传输只能在总线空闲时启动。通信开始时，主设备发送起始条件，然后发送设备地址字节，包括数据方向位（R/W）。设备收到有效地址字节后会进行确认（ACK）。在数据传输过程中，每个字节后面都跟着一个ACK位，传输结束时，主设备可以通过不产生确认（NACK）来表示数据传输结束。

五、PCA9538的应用与设计建议

典型应用

PCA9538可以用于各种需要扩展I/O接口的应用场景，如开关控制、传感器数据采集、LED显示等。在典型应用中，我们可以根据实际需求配置设备地址和I/O端口的输入输出模式。

降低功耗的设计

当I/O用于控制LED时，为了降低功耗，需要确保LED关闭时I/O引脚的电压大于或等于Vcc。可以采用在LED上并联高值电阻或使设备电源电压低于LED电源电压至少1.2V的方法来实现。

电源供应建议

PCA9538的上电复位要求设备进行一次电源循环才能完全复位。在设计电源供应时，需要考虑电源的下降和上升速率、重新上升时间以及电源毛刺的影响。例如，电源下降速率和上升速率都有一定的要求，电源毛刺的宽度和高度也会影响设备的正常工作。

六、总结

PCA9538作为一款功能强大、性能稳定的I/O扩展器，在电子设计中具有广泛的应用前景。它的低功耗、多功能接口、可配置性强等特点，为工程师们提供了更多的设计灵活性。在使用过程中，我们需要充分了解其特性、规格参数、功能模式和编程方法，同时注意电源供应和应用设计的细节，以确保设备的正常运行和系统的稳定性。希望本文能对大家在PCA9538的设计应用中有所帮助。你在使用PCA9538的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享。