PCA9535 16位 I²C 和 SMBus 低功耗 I/O 扩展器：高效设计与应用指南

在电子设计领域，I/O 扩展器是连接微控制器与外部设备的关键组件。本文将详细探讨 Texas Instruments 的 PCA9535 16 位 I²C 和 SMBus 低功耗 I/O 扩展器，涵盖其特性、技术规格、功能模式、编程方法以及典型应用等多个方面，为工程师的实际设计提供全面的参考。

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1. 特性概览

PCA9535 具有众多令人瞩目的特性，使其在各类应用中脱颖而出。

• 低功耗运行：最大待机电流仅 1 μA，非常适合对能耗要求严苛的电池供电设备。
• 通信接口：作为 I²C 到并行端口扩展器，借助 400 - kHz 的快速 I²C 总线，可实现与大多数微控制器的高效通信。
• 中断功能：采用开漏低电平有效中断输出（INT），当输入状态变化时，能及时通知系统主设备，无需频繁通过 I²C 总线通信。
• 高兼容性：I/O 端口具备 5 - V 容差能力，能与不同电压标准的设备相兼容。
• 地址灵活配置：通过三个硬件地址引脚（A0、A1、A2），可设置多达八个不同的 I²C 地址，方便多个设备共享同一总线。
• 极性反转功能：极性反转寄存器可对输入端口的极性进行灵活调整。
• 高驱动能力：输出具有锁存功能和高电流驱动能力，能够直接驱动 LED 等负载。
• 高可靠性：闩锁性能超过 100 mA（符合 JESD 78，Class II 标准），ESD 保护也满足严格要求（人体模型 2000 - V，带电设备模型 1000 - V）。

2. 技术规格与性能指标

2.1 绝对最大额定值

PCA9535 明确规定了在不同条件下的绝对最大额定值，包括电源电压范围（- 0.5 V 至 6 V）、输入输出电压范围（- 0.5 V 至 6 V）、输入输出钳位电流以及连续输出电流等参数。这些参数为设计人员在电路设计中提供了安全边界，避免因超出额定值导致器件损坏。

2.2 ESD 额定值

该器件的 ESD 保护能力达到人体模型（HBM）2000 - V 和带电设备模型（CDM）1000 - V，有效增强了器件在实际应用中的抗静电干扰能力，降低因静电放电造成的损坏风险。

2.3 推荐工作条件

推荐的工作条件包括电源电压范围（2.3 V 至 VCC）、输入输出电压电平以及工作温度范围（- 40°C 至 85°C）等。在这些条件下使用，可确保器件性能的稳定性和可靠性。

2.4 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（VPORR 和 VPORF）、P 端口高低电平输出电压、输入输出电流等多项关键指标。这些参数在不同电源电压和温度条件下有所变化，设计时需结合具体应用场景进行合理选择。

2.5 I²C 接口时序要求

I²C 接口的时钟频率最高可达 400 kHz，并对时钟高/低时间、数据建立/保持时间、输入/输出上升/下降时间等时序参数做出了明确规定。严格遵循这些时序要求，才能保证 I²C 总线通信的稳定性和准确性。

3. 功能模式详解

3.1 上电复位

当电源（VCC）从零电压开始上升时，内部上电复位功能会使 PCA9535 处于复位状态，直至 VCC 达到 VPOR 阈值。此时，复位状态解除，所有寄存器和 I²C/SMBus 状态机将初始化为默认状态。要进行再次复位，需将 VCC 降低至 0.2 V 以下，然后再回升到工作电压。

3.2 I/O 端口配置

I/O 端口可灵活配置为输入或输出模式。配置为输入时，场效应晶体管（FETs）Q1 和 Q2 关闭，形成高阻抗输入，输入电压最高可承受 5.5 V。配置为输出时，根据输出端口寄存器的状态，Q1 或 Q2 导通，在 I/O 引脚与 VCC 或 GND 之间形成低阻抗路径。需注意的是，外部施加到 I/O 引脚的电压不应超过推荐工作范围。

3.3 中断输出

在输入模式下，端口输入的任何上升或下降沿都会触发中断。经过时间 $t_{iv}$ 后，中断信号 INT 有效。要复位中断电路，可通过改变端口数据到原始设置，或者读取产生中断的端口数据来实现。复位操作在读取模式下的确认（ACK）或非确认（NACK）位后，SCL 信号上升沿时发生。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或持续时间极短。此外，将 I/O 从输出模式切换到输入模式时，如果引脚状态与输入端口寄存器内容不匹配，可能会引发误中断。每个 8 位端口独立读取，端口 0 产生的中断不会因读取端口 1 而清除，反之亦然。INT 输出为开漏结构，需要连接上拉电阻到 VCC。

4. 编程与通信

4.1 I²C 接口通信

PCA9535 采用标准的 I²C 总线进行通信，该总线由串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线组成。通信开始前，总线必须处于空闲状态。主设备通过发送起始条件（SDA 线在 SCL 线为高电平时由高到低的转换）来启动通信，随后发送设备地址字节（包含数据方向位 R/W）。设备在接收到有效地址字节后，会通过拉低 SDA 线进行响应（ACK）。在通信过程中，每个时钟脉冲仅传输一位数据，SDA 线的数据在时钟高电平期间必须保持稳定。主设备通过发送停止条件（SDA 线在 SCL 线为高电平时由低到高的转换）来结束通信。

4.2 寄存器映射与操作

PCA9535 拥有多个寄存器，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。这些寄存器以四个寄存器对的形式工作，分别对应不同的功能。

• 输入端口寄存器：反映引脚的实际逻辑电平，无论引脚在配置寄存器中被定义为输入还是输出。
• 输出端口寄存器：显示配置为输出的引脚的逻辑电平，读取该寄存器得到的是控制输出选择的触发器的值，而非引脚的实际值。
• 极性反转寄存器：可对配置为输入的引脚进行极性反转操作。
• 配置寄存器：用于配置 I/O 引脚的方向，将对应位设置为 1 则使端口引脚作为高阻抗输入，设置为 0 则作为输出。

数据通过写入和读取命令在主设备和 PCA9535 之间进行交换。写入时，主设备发送设备地址和命令字节，确定要写入的寄存器，后续数据将依次写入相应寄存器。读取时，主设备先发送写命令指定要读取的寄存器，然后通过重启发送读命令，开始接收寄存器中的数据。

5. 应用建议

5.1 典型应用示例

PCA9535 可广泛应用于需要扩展 I/O 端口的系统中，如工业控制、智能家居、消费电子等。在典型应用电路中，部分 I/O 引脚可配置为输出，用于控制外部设备，如 LED 灯；部分引脚配置为输入，用于读取传感器数据或外部信号。

5.2 降低功耗设计

在使用 I/O 控制 LED 时，为了降低功耗，可采用两种方法。一是在 LED 上并联一个高值电阻，二是使 VCC 比 LED 电源电压至少低 1.2 V。这两种方法均能使 I/O 的 $V{IN}$ 保持在 $V{CC}$ 或以上，避免在 LED 关闭时产生额外的电源电流消耗，特别适用于电池供电的应用场景。

5.3 电源供应与复位

PCA9535 的上电复位功能在遇到电源故障或数据损坏时非常有用。通过使设备经历一次电源循环（将 VCC 降低到特定阈值以下再回升），可将其恢复到默认状态。同时，电源供应中的毛刺可能会影响上电复位性能，毛刺宽度（VCC_GW）和高度（VCC_GH）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。因此，在设计电源电路时，需充分考虑这些因素，确保设备的稳定运行。

6. 总结

PCA9535 作为一款功能强大的 16 位 I²C 和 SMBus 低功耗 I/O 扩展器，凭借其丰富的特性、良好的兼容性和高可靠性，为电子工程师在设计中提供了灵活且可靠的解决方案。通过深入理解其技术规格、功能模式和编程方法，并结合实际应用需求进行合理设计，能够有效扩展微控制器的 I/O 能力，提升系统的性能和稳定性。在实际应用中，还需关注电源供应、ESD 保护等方面的问题，以确保设备在各种环境下都能正常工作。

你在使用 PCA9535 进行设计时遇到过哪些挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。