PCA9554：8位I²C和SMBus I/O扩展器的深度解析

在电子设计领域，I/O扩展器是一种常见且实用的组件，它能为微控制器提供额外的I/O端口，从而满足更多的功能需求。PCA9554作为一款远程8位I²C和SMBus I/O扩展器，具有诸多优秀特性，下面我们就来深入了解一下。

文件下载：pca9554.pdf

1. 产品特性

PCA9554的特性丰富，使其在众多应用场景中都能发挥出色的性能。

• 电压范围与兼容性：它的工作电源电压范围为2.3V至5.5V，且I/O端口具有5V容限，这使得它能适应不同的电源环境，并且可以与多种电平的设备进行连接。
• I²C总线优势：支持400kHz的快速I²C总线，数据传输速度快。同时，三个硬件地址引脚允许在I²C/SMBus上最多连接八个设备，大大提高了总线的利用率。
• 中断输出与寄存器功能：具备开漏低电平有效中断输出，能及时向系统主机反馈输入状态的变化。还拥有输入/输出配置寄存器和极性反转寄存器，方便用户对I/O端口进行灵活配置。
• 其他特性：具有内部上电复位功能，上电时所有通道默认配置为输入，且无上电毛刺。其锁存输出具有高电流驱动能力，可直接驱动LED，并且在ESD保护方面表现出色，超过了相关标准。

2. 产品描述

2.1 基本功能

PCA9554专为2.3V至5.5V的VCC操作而设计，通过I²C接口为大多数微控制器家族提供通用的远程I/O扩展。它包含一个8位配置寄存器、输入寄存器、输出寄存器和极性反转寄存器。上电时，I/O端口默认配置为输入，并通过弱上拉电阻连接到VCC。系统主机可以通过写入I/O配置位将I/O端口配置为输入或输出，输入或输出的数据分别存储在相应的寄存器中，输入端口寄存器的极性可以通过极性反转寄存器进行反转，且所有寄存器都可以被系统主机读取。

2.2 中断功能

PCA9554的开漏中断（INT）输出在任何输入状态与其对应的输入端口寄存器状态不同时被激活，用于向系统主机指示输入状态发生了变化。INT输出可以连接到微控制器的中断输入，这样远程I/O就可以在不通过I²C总线进行通信的情况下，告知微控制器其端口上是否有输入数据，从而使PCA9554可以作为一个简单的从设备。

2.3 硬件地址与兼容性

三个硬件引脚（A0、A1和A2）用于编程和改变固定的I²C地址，允许最多八个设备共享同一I²C总线或SMBus。此外，PCA9554与PCF8574在引脚和I²C地址上兼容，但由于PCA9554在功能上有所增强，因此需要进行软件更改。PCA9554和PCA9554A除了固定的I²C地址不同外，其他方面完全相同，这使得在同一I²C/SMBus上最多可以连接16个这样的设备（每种各八个）。

3. 引脚配置与功能

PCA9554有多种封装形式，不同封装的引脚排列有所不同，但引脚功能基本一致。下面是一些主要引脚的功能介绍：

• 地址输入引脚（A0、A1、A2）：用于设置设备的I²C地址，可直接连接到VCC或地。
• P端口输入/输出引脚（P0 - P7）：采用推挽设计结构，可根据配置寄存器的设置作为输入或输出使用。
• 中断输出引脚（INT）：开漏输出，需要通过上拉电阻连接到VCC，用于输出中断信号。
• 串行时钟总线引脚（SCL）和串行数据总线引脚（SDA）：构成双向I²C总线，用于与系统主机进行通信，都需要通过上拉电阻连接到正电源。
• 电源引脚（VCC）和接地引脚（GND）：分别提供电源和接地。

4. 规格参数

4.1 绝对最大额定值

这部分规定了设备在不造成永久性损坏的情况下所能承受的最大应力。例如，电源电压范围为 -0.5V至6V，输入和输出电压范围也为 -0.5V至6V等。需要注意的是，超出这些绝对最大额定值可能会导致设备损坏，且在超出推荐工作条件的情况下，不保证设备的功能正常。

4.2 ESD评级

PCA9554在静电放电保护方面表现良好，人体模型（HBM）的ESD电压可达2000V，带电设备模型（CDM）的ESD电压可达1000V，这能有效防止设备在使用过程中因静电而损坏。

4.3 推荐工作条件

为了保证设备的最佳性能，推荐的工作条件包括电源电压范围为2.3V至5.5V，高电平输入电压和低电平输入电压也有相应的要求。在这些条件下使用设备，可以提高设备的稳定性和可靠性。

4.4 热信息

文档中给出了不同封装形式下的热阻信息，如结到环境的热阻等。了解这些热信息对于设备的散热设计非常重要，可以避免设备因过热而影响性能。

4.5 电气特性

这部分详细描述了设备在不同工作条件下的电气参数，如输入二极管钳位电压、上电复位电压、输出高电平电压和低电平电压等。这些参数对于电路设计和性能评估具有重要的参考价值。

4.6 I²C接口时序要求

规定了I²C总线在不同模式下（标准模式和快速模式）的各种时序参数，如时钟频率、时钟高时间、时钟低时间等。严格遵守这些时序要求，才能保证I²C通信的正常进行。

4.7 开关特性

描述了设备在输入和输出状态切换时的时间参数，如中断有效时间、中断复位延迟时间、输出数据有效时间等。这些参数对于系统的响应速度和稳定性有重要影响。

4.8 典型特性

通过一系列的图表展示了设备在不同条件下的典型性能，如电源电流与温度的关系、输出电压与温度的关系等。这些典型特性可以帮助工程师更好地了解设备的性能特点，从而进行合理的设计。

5. 详细描述

5.1 功能框图

从功能框图可以直观地看到PCA9554的内部结构和各个模块之间的连接关系，有助于工程师理解设备的工作原理。

5.2 设备功能模式

• 上电复位：当电源施加到VCC时，内部上电复位会使设备处于复位状态，直到VCC达到VPOR。之后，复位条件解除，设备的寄存器和I²C/SMBus状态机初始化到默认状态。要进行一次上电复位循环，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：当I/O端口配置为输入时，呈现高阻抗状态，并通过弱上拉电阻连接到VCC；当配置为输出时，根据输出端口寄存器的状态，I/O引脚与VCC或地之间形成低阻抗路径。在使用时，外部施加到I/O引脚的电压不应超过推荐水平。
• 中断输出：任何输入端口的上升或下降沿都会产生中断信号，中断信号在时间tiv后有效。中断电路的复位可以通过改变端口数据或读取产生中断的端口来实现。需要注意的是，INT输出为开漏结构，需要上拉电阻连接到VCC。此外，还存在一个中断勘误问题，当满足特定条件时，INT会被错误地释放，需要通过软件进行修正。

5.3 编程

• I²C接口：I²C总线由串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线组成，数据传输只能在总线空闲时启动。通信通过主设备发送起始条件开始，之后发送设备地址和数据。数据传输过程中，每个字节后面都有一个ACK位，用于确认数据的接收。主设备可以通过发送停止条件结束通信。
• 寄存器映射：PCA9554的寄存器包括输入端口寄存器、输出端口寄存器、极性反转寄存器和配置寄存器。不同的寄存器具有不同的功能和默认值，用户可以通过I²C总线对这些寄存器进行读写操作。
• 总线事务：数据通过写和读命令在主设备和PCA9554之间进行交换。写操作时，主设备发送设备地址和命令字节，然后将数据写入指定的寄存器；读操作时，主设备先发送设备地址和命令字节，然后重新发送设备地址并设置读位，最后从指定的寄存器中读取数据。

6. 应用信息

6.1 典型应用

文档中给出了一个典型应用示例，展示了如何对PCA9554的设备地址和I/O端口进行配置。在这个示例中，部分端口配置为输出，部分端口配置为输入，未使用的端口通过内部100kΩ上拉电阻进行保护，防止浮空。

6.2 设计要求

在使用I/O端口控制LED时，为了降低ICC电流消耗，对于电池供电的应用，需要确保LED关闭时I/O引脚的电压大于或等于VCC。可以通过在LED上并联一个高值电阻或使设备的电源电压低于LED的供电电压来实现这一目的。

7. 电源供应建议

PCA9554的上电复位功能可以在出现故障或数据损坏时将设备恢复到默认状态。上电复位需要设备进行一次电源循环，有两种类型的上电复位方式，具体的性能参数在文档中有详细说明。同时，电源供应中的毛刺会影响上电复位性能，其毛刺宽度和高度相互关联，旁路电容、源阻抗和设备阻抗等因素也会对其产生影响。

8. 设备与文档支持

8.1 文档更新通知

用户可以通过ti.com上的设备产品文件夹订阅文档更新通知，每周接收产品信息的变化摘要，并可以查看修订历史了解具体的更改内容。

8.2 支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、准确答案和设计帮助的重要来源，用户可以在论坛上搜索现有答案或提出自己的问题。

8.3 静电放电注意事项

该集成电路容易受到ESD损坏，因此在处理和安装时需要采取适当的预防措施，以避免设备因静电而损坏。

9. 机械、封装与订购信息

文档提供了PCA9554的多种封装形式、尺寸、订购状态、RoHS信息、引脚标记等详细信息，还包括了不同封装的外形图、示例电路板布局和示例模板设计等内容，方便工程师进行产品的选型和设计。

PCA9554作为一款功能强大的I/O扩展器，在电子设计中具有广泛的应用前景。工程师在使用时，需要充分了解其特性、参数和使用方法，结合具体的应用需求进行合理的设计，以确保系统的稳定性和可靠性。你在实际应用中是否遇到过类似I/O扩展器的相关问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。