PCA9554A：远程 8 位 $I^{2}C$ 和 SMBus I/O 扩展器的深度解析

在电子工程师的日常设计工作中，I/O 扩展器是经常会用到的器件。今天我们要详细探讨的是德州仪器（TI）的 PCA9554A 远程 8 位 $I^{2}C$ 和 SMBus I/O 扩展器，它具有中断输出和配置寄存器，在很多应用场景中都能发挥重要作用。

文件下载：pca9554a.pdf

一、关键特性概述

PCA9554A 具有一系列令人瞩目的特性，使其在众多 I/O 扩展器中脱颖而出。

• 宽电压范围：工作电源电压范围为 2.3 V 至 5.5 V，能适应不同的电源环境。
• 5 - V 容限 I/O：输入输出引脚可承受 5 V 电压，增强了其在不同电压系统中的兼容性。
• 高速通信：支持 400 - kHz 的快速 $I^{2}C$ 总线，数据传输速度快。
• 多设备共享：通过三个硬件地址引脚（A0、A1、A2），允许最多八个设备共享同一 $I^{2}C/SMBus$。
• 中断输出：开漏输出的中断引脚（INT），可在输入状态改变时通知系统主机，无需频繁通过 $I^{2}C$ 总线通信。
• 多种保护机制：具备内部上电复位功能，上电时所有通道配置为输入，无毛刺现象；闩锁性能超过 100 mA（JESD 78，Class II）；ESD 保护超过 JESD 22 标准，包括 2000 - V 人体模型（A114 - A）、200 - V 机器模型（A115 - A）和 1000 - V 充电设备模型（C101）。

二、详细功能剖析

2.1 寄存器架构

PCA9554A 包含四个 8 位寄存器，分别是配置寄存器、输入寄存器、输出寄存器和极性反转寄存器。

• 配置寄存器：用于配置 I/O 引脚的方向，将对应位设置为 1 时，引脚为高阻抗输入；设置为 0 时，引脚为输出。
• 输入寄存器：反映引脚的实际逻辑电平，无论引脚被配置为输入还是输出，读操作时可获取引脚状态。
• 输出寄存器：控制输出引脚的逻辑电平，写操作可改变输出状态。
• 极性反转寄存器：对配置为输入的引脚进行极性反转，若某位设置为 1，对应引脚极性反转；设置为 0，则保持原极性。

2.2 功能模式

2.2.1 上电复位

当电源（从 0 V）施加到 $V{CC}$ 时，内部上电复位将 PCA9554A 保持在复位状态，直到 $V{CC}$ 达到 $V{PORR}$。此时，复位状态解除，寄存器和 $I^{2}C/SMBus$ 状态机初始化到默认状态。要进行电源复位循环，需将 $V{CC}$ 降至 0.2 V 以下，再升至工作电压。

2.2.2 I/O 端口

• 输入模式：当 I/O 配置为输入时，FETs Q1 和 Q2 关闭，形成高阻抗输入，并有一个弱上拉（典型值 100 kΩ）连接到 $V{CC}$，输入电压可升至 $V{CC}$ 以上，但最大不超过 5.5 V。
• 输出模式：当 I/O 配置为输出时，根据输出端口寄存器的状态，Q1 或 Q2 启用，I/O 引脚与 $V_{CC}$ 或 GND 之间形成低阻抗路径，外部施加的电压不应超过推荐水平。

2.2.3 中断输出（INT）

在输入模式下，端口输入的上升或下降沿会产生中断。经过时间 $t_{iv}$ 后，信号 INT 有效。当端口数据恢复到原始设置或从产生中断的端口读取数据时，中断电路复位。在读取模式下，SCL 信号上升沿后的确认（ACK）或非确认（NACK）位处发生复位。不过，需要注意的是，在 ACK 或 NACK 时钟脉冲期间发生的中断可能会丢失。

2.3 编程接口

PCA9554A 通过 $I^{2}C$ 接口进行通信，通信过程遵循 $I^{2}C$ 总线协议。

• 起始条件：主设备发送起始条件（SDA 输入/输出在 SCL 输入为高电平时从高到低转换），启动通信。
• 设备地址：发送设备地址字节（包括数据方向位 R/$overline{W}$），从设备接收到有效地址字节后，以确认（ACK）响应。
• 数据传输：每个时钟脉冲传输一位数据，数据在 SCL 高脉冲期间必须保持稳定。
• 停止条件：主设备发送停止条件（SDA 输入/输出在 SCL 输入为高电平时从低到高转换），结束通信。

三、规格参数解读

3.1 绝对最大额定值

该器件的绝对最大额定值规定了其能承受的极限应力，如 $V_{CC}$ 范围为 - 0.5 V 至 6 V，输入和输出电压范围为 - 0.5 V 至 6 V 等。超过这些额定值可能会导致器件永久性损坏。

3.2 ESD 额定值

PCA9554A 具有良好的 ESD 保护性能，人体模型（HBM）可达 2000 V，充电设备模型（CDM）可达 1000 V，这有助于提高器件在实际应用中的可靠性。

3.3 推荐工作条件

推荐的工作条件包括 $V{CC}$ 范围为 2.3 V 至 5.5 V，高电平输入电压（$V{IH}$）和低电平输入电压（$V_{IL}$）的具体要求等，遵循这些条件能确保器件正常工作。

3.4 电气特性

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参数。例如，P 端口高电平输出电压（$V{OH}$）在不同 $V{CC}$ 和负载电流下有不同的值，这对于设计人员评估输出驱动能力很重要。

3.5 $I^{2}C$ 接口时序要求

$I^{2}C$ 接口时序要求规定了时钟频率、数据建立时间、保持时间等参数，确保 $I^{2}C$ 通信的稳定性和准确性。

四、应用设计建议

4.1 典型应用

PCA9554A 可用于多种应用场景，如扩展微控制器的 I/O 端口。在典型应用中，可根据需求配置不同的 I/O 引脚为输入或输出，实现对外部设备的控制和数据采集。

4.2 降低 $I_{CC}$ 设计

当 I/O 用于控制 LED 时，为降低功耗，可采用两种方法：一是在 LED 上并联一个高值电阻；二是使 $V{CC}$ 比 LED 电源电压至少低 1.2 V，以确保 LED 熄灭时 I/O 引脚电压大于或等于 $V{CC}$，减少额外的电源电流消耗。

4.3 电源供应建议

在电源供应方面，要注意上电复位要求。PCA9554A 的上电复位需要进行电源循环，同时要关注电源的下降和上升速率、重新斜坡时间等参数。电源中的毛刺也可能影响上电复位性能，需要合理设计电源电路以避免此类问题。

五、总结与思考

PCA9554A 作为一款功能强大的 I/O 扩展器，在 $I^{2}C$ 通信、中断输出和配置灵活性等方面表现出色。在实际设计中，我们需要充分理解其特性和规格参数，根据具体应用场景进行合理设计。同时，要注意一些细节问题，如中断误触发的解决方法、电源稳定性等。大家在使用 PCA9554A 过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。

希望通过这篇文章，能帮助电子工程师们更好地了解和应用 PCA9554A 这款器件，在设计中发挥其最大优势。