深入解析PCF8575：16位I²C与SMBus I/O扩展器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，I/O扩展器是一个常见且关键的组件。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的PCF8575——一款16位I²C与SMBus I/O扩展器，它在众多应用场景中都有着出色的表现。

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一、产品特性亮点

1. 接口扩展与中断输出

PCF8575作为I²C到并行端口的扩展器，为大多数微控制器提供了通用的远程I/O扩展功能。其开放漏极中断输出设计，能够方便地连接到微控制器的中断输入，当端口输入出现上升或下降沿时，就会触发中断信号，让系统能够及时响应外部变化。

2. 低功耗与高兼容性

该扩展器的待机电流消耗极低，最大仅为10μA，这对于需要长时间待机的设备来说至关重要。同时，它与大多数微控制器兼容，支持400kHz的快速I²C总线，能够满足高速数据传输的需求。

3. 硬件地址与驱动能力

通过三个硬件地址引脚，PCF8575可以实现地址编程，最多可在同一I²C总线上使用八个设备，大大提高了系统的可扩展性。其输出具有锁存功能，并且具备高电流驱动能力，能够直接驱动LED，还配备了到VCC的电流源，可主动将输出拉高。

4. 可靠性与保护性能

PCF8575的闩锁性能超过100mA（Per JESD 78，class II），ESD保护也非常出色，超过了JESD 22标准，包括2000V人体模型、200V机器模型和1000V充电设备模型，有效保障了设备在复杂环境下的可靠性。

二、广泛的应用领域

PCF8575的应用场景十分广泛，涵盖了电信、服务器、路由器、个人电脑、个人电子设备以及工业自动化等多个领域。在电信领域，它可用于滤波器单元；在服务器和路由器中，能实现GPIO扩展；在个人电子设备和工业自动化产品中，也能发挥其I/O扩展的优势。

三、详细的产品描述

1. 工作电压与端口特性

PCF8575适用于2.5V至5.5V的VCC操作，通过I²C接口（串行时钟SCL和串行数据SDA）为大多数微控制器家族提供通用的远程I/O扩展。它具有16位准双向输入/输出端口（P07–P00，P17–P10），每个端口都可以作为输入或输出使用，无需数据方向控制信号。上电时，I/O端口为高电平，此时只有到VCC的电流源处于激活状态。

2. 中断功能与数据传输

该扩展器提供开放漏极中断输出（INT），当端口输入状态发生变化时，会触发中断信号。中断信号在时间$t_{iv}$后有效，通过改变端口数据或对端口进行读写操作，可以重置和重新激活中断电路。数据传输时，每对数据字节中的第一个字节对应端口0（P07–P00），第二个字节对应端口1（P17–P10），并且数据传输必须是偶数个字节。

四、引脚配置与功能

PCF8575有多种封装形式，如SSOP、TVSOP、SOIC、TSSOP和VQFN等。不同封装的引脚配置基本相同，主要包括地址输入引脚（A0、A1、A2）、中断输出引脚（INT）、I/O端口引脚（P07–P00，P17–P10）、串行时钟引脚（SCL）、串行数据引脚（SDA）以及电源引脚（VCC和GND）。其中，地址输入引脚用于设置设备地址，中断输出引脚可连接到微控制器的中断输入，I/O端口引脚则用于与外部设备进行数据交互。

五、规格参数详解

1. 绝对最大额定值

PCF8575的绝对最大额定值规定了设备能够承受的最大应力，如VCC电源电压范围为–0.5V至6.5V，输入和输出电压范围为–0.5V至VCC + 0.5V等。超过这些额定值可能会导致设备永久性损坏，因此在设计时必须严格遵守。

2. ESD额定值

该扩展器的ESD额定值表现出色，人体模型（HBM）为2000V，充电设备模型（CDM）为1000V，这意味着它在静电防护方面具有较高的可靠性，能够有效避免因静电放电而导致的设备故障。

3. 推荐工作条件

为了确保PCF8575的正常工作，推荐的工作条件包括VCC电源电压为2.5V至5.5V，高电平输入电压为0.7 × VCC至VCC + 0.5V，低电平输入电压为–0.5V至0.3 × VCC等。同时，还对P端口的输出电流和工作温度范围进行了规定。

4. 热信息

不同封装的PCF8575在热性能方面有所差异，如结到环境的热阻（RθJA）、结到外壳的热阻（RθJC）等。了解这些热信息对于合理设计散热方案、确保设备在高温环境下的稳定性至关重要。

5. 电气特性

电气特性参数详细描述了PCF8575在不同工作条件下的电气性能，如输入二极管钳位电压、P端口的输出电流、电源电流等。这些参数是工程师进行电路设计和性能评估的重要依据。

6. I²C接口时序要求

I²C接口的时序要求对于数据传输的准确性和稳定性至关重要。PCF8575规定了I²C时钟频率、时钟高时间、时钟低时间、数据建立时间和保持时间等参数，工程师在设计时必须严格遵循这些时序要求，以确保数据的正确传输。

7. 开关特性

开关特性参数描述了PCF8575在信号转换过程中的时间延迟，如中断有效时间、中断复位延迟时间、输出数据有效时间等。了解这些参数有助于优化系统的响应速度和性能。

六、典型特性曲线分析

文档中给出了PCF8575的典型特性曲线，包括电源电流与温度的关系、待机电源电流与温度的关系、I/O灌电流与输出低电压的关系等。通过分析这些曲线，工程师可以更好地了解设备在不同工作条件下的性能表现，为电路设计和优化提供参考。

七、参数测量信息

为了准确测量PCF8575的各项参数，文档提供了详细的测量电路和电压波形图，包括I²C接口负载电路、中断负载电路和P端口负载电路等。工程师可以根据这些信息搭建测量平台，对设备进行精确的性能测试。

八、应用与实现建议

1. 典型应用示例

文档中给出了一个典型的应用示意图，展示了PCF8575在实际电路中的应用。在这个示例中，SCL和SDA引脚直接连接到VCC，设备地址配置为0100000，部分P端口配置为输出，部分配置为输入。通过合理配置端口功能，可以实现对外部设备的控制和数据采集。

2. 设计要求与注意事项

降低ICC功耗

当I/O端口用于控制LED时，为了降低电源电流ICC的消耗，可以采用两种方法：一是在LED上并联一个高值电阻，二是使设备的供电电压低于LED的供电电压，以确保P端口的电压大于或等于VCC。

选择合适的上拉电阻

对于SCL和SDA线的上拉电阻$R{P}$，需要根据I²C总线上所有目标的总电容进行合理选择。最小上拉电阻$R{p(min)}$与VCC、$V{OL,(max)}$和$I{OL}$有关，最大上拉电阻$R{p(max)}$则与最大上升时间$t{r}$和总线电容$C_{b}$有关。同时，I²C总线的最大电容不得超过400pF。

3. 电源供应建议

PCF8575的工作电源电压范围为2.5V至5.5V，在首次上电或需要通过电源循环对设备进行复位时，必须遵循电源上电复位的要求，以确保I²C总线逻辑正确初始化。建议$T{OFF}>100 ms$且$T{RISE}<10 ms$，否则可能会导致设备锁定。

4. 布局设计要点

在进行PCB布局时，应遵循常见的PCB布局原则。虽然I²C信号速度对匹配阻抗和差分对的要求不高，但仍需注意避免信号迹线出现直角，将信号迹线从集成电路附近分散开，并使用较粗的迹线来承载较大的电流。同时，应在PCF8575附近放置旁路和去耦电容，以控制VCC引脚的电压。对于高密度信号布线的电路板，建议使用4层板，将信号路由在顶层和底层，内层分别设置为接地层和电源层。

九、设备与文档支持

德州仪器为PCF8575提供了完善的设备和文档支持。工程师可以通过ti.com网站获取设备的最新文档和产品信息，还可以通过TI E2E™支持论坛获取快速、经过验证的答案和设计帮助。同时，需要注意静电放电对集成电路的影响，在操作时应采取适当的预防措施。

十、总结

PCF8575作为一款功能强大、性能可靠的16位I²C与SMBus I/O扩展器，通过其丰富的特性和广泛的应用场景，为电子工程师提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，我们需要充分了解其特性、规格参数和应用要求，合理进行电路设计和布局，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能对大家在PCF8575的设计应用中有所帮助，如果你在使用过程中有任何问题或经验，欢迎在评论区分享交流。