PCA9547：八通道 I²C 总线复用器的全面解析

在电子设计领域，I²C 总线的应用极为广泛，而 PCA9547 八通道 I²C 总线复用器则为 I²C 总线的扩展和管理提供了强大的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下这款器件的特性、功能及应用。

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一、器件概述

PCA9547 是一款由 I²C 总线控制的八通道双向转换复用器。它将上游的 SCL/SDA 线扩展为八个下游通道（SCx/SDx），每次只能选择一个通道进行通信，通道的选择由可编程控制寄存器的内容决定。上电时，默认连接通道 0，方便主机与该通道上的下游设备立即进行通信。此外，它还具备一个低电平有效的复位输入引脚，可使器件从下游 I²C 总线被拉低的状态中恢复。

二、特性与优势

2.1 通道选择与复用

• 1-of-8 双向转换：能够实现八选一的通道选择，满足多设备通信需求。
• I²C 总线接口：与 I²C 总线接口逻辑兼容，同时也符合 SMBus 标准，具有良好的通用性。

  2.2 复位功能

• 低电平复位：通过将 RESET 引脚拉低，可复位 I²C 总线状态机，除通道 0 外，其他通道均被取消选择，使主机重新获得总线控制权。

  2.3 地址设置

• 三个地址引脚：允许在 I²C 总线上最多连接 8 个 PCA9547 器件，方便进行系统扩展。

  2.4 电压兼容性

• 电压转换：支持 1.8V、2.5V、3.3V 和 5V 总线之间的电压转换，无需额外保护，可实现不同电压等级设备的直接通信。
• 耐压输入：所有 I/O 引脚均具有 5V 耐压能力，增强了器件的可靠性和适用性。

  2.5 其他特性

• 低导通电阻：降低信号传输损耗，提高信号质量。
• 无上电毛刺：避免上电时产生不必要的干扰信号，确保系统稳定启动。
• 支持热插拔：允许在系统运行时插入或拔出器件，提高系统的可维护性。
• 低待机电流：降低功耗，延长设备的使用寿命。

三、订购信息

PCA9547 提供了三种不同的封装形式，分别是 SO24、TSSOP24 和 HVQFN24，每种封装都有对应的型号和订购选项。在选择封装时，需要考虑到实际应用的需求，如 PCB 空间、散热要求等。例如，SO24 封装适用于对空间要求不高的应用；TSSOP24 封装则适合对尺寸有一定要求的场景；而 HVQFN24 封装具有较好的散热性能，适用于对散热要求较高的应用。	型号	封装	说明
PCA9547D	SO24	塑料小外形封装，24 引脚，体宽 7.5mm
PCA9547PW	TSSOP24	塑料薄收缩小外形封装，24 引脚，体宽 4.4mm
PCA9547BS	HVQFN24	塑料热增强超薄四方扁平封装，无引脚，24 个焊盘，尺寸 4×4×0.85mm

四、功能描述

4.1 器件寻址

在 I²C 通信中，主机需要先发送从机的地址。PCA9547 的地址由固定位和硬件可选择位组成，其格式为 1 1 0 A2 A1 A0 R/W，其中最后一位 R/W 决定了是读操作（逻辑 1）还是写操作（逻辑 0）。为了节省功耗，地址引脚没有内置上拉电阻，需要外部上拉或下拉。

4.2 控制寄存器

控制寄存器用于选择具体的通道。主机在成功发送从机地址并得到应答后，会向 PCA9547 发送一个字节的数据，该数据将被存储在控制寄存器中。控制寄存器的 4 个最低有效位（LSBs）用于确定要选择的通道，通道选择在 I²C 总线上出现 STOP 条件后生效，确保通道激活时所有 SCx/SDx 线处于高电平状态，避免产生误触发。	D7	D6	D5	D4	B3	B2	B1	B0	命令
X	X	X	X	0	X	X	X	无通道选择
X	X	X	X	1	0	0	0	通道 0 启用
X	X	X	X	1	0	0	1	通道 1 启用
...	...	...	...	...	...	...	...	...

4.3 复位输入

RESET 输入是一个低电平有效信号，可用于从总线故障状态中恢复。将该信号拉低至少 (t_{w(rst)L}) 时间，PCA9547 将复位其寄存器和 I²C 总线状态机，除通道 0 外，其他通道均被取消选择。RESET 引脚需通过上拉电阻连接到 VDD。

4.4 上电复位

上电时，内部的上电复位（POR）电路会使 PCA9547 处于复位状态，直到 VDD 达到 (V_{POR}) 电压。此时，复位条件解除，寄存器和 I²C 总线状态机被初始化为默认状态，除通道 0 外，其他通道均被取消选择。此后，要再次复位器件，需要将 VDD 降低到 0.2V 以下并保持至少 5μs。

4.5 电压转换

PCA9547 的传输门晶体管结构使得 VDD 电压可用于限制从一个 I²C 总线传输到另一个总线的最大电压。为了实现有效的电压转换，(V{o(mux)}) 电压应等于或低于最低总线电压。例如，当主总线为 5V，下游总线为 3.3V 和 2.7V 时，(V{o(mux)}) 应设置为 2.7V 或更低，可通过将 PCA9547 的电源电压设置为 3.3V 来实现。同时，需要使用上拉电阻将总线电压提升到合适的电平。

五、I²C 总线特性

5.1 位传输

在 I²C 总线上，每个时钟脉冲传输一个数据位。数据在时钟脉冲的高电平期间必须保持稳定，因为此时数据线上的变化将被视为控制信号。

5.2 起始和停止条件

当总线空闲时，数据和时钟线均保持高电平。时钟为高电平时，数据线从高到低的转换定义为起始条件（S）；时钟为高电平时，数据线从低到高的转换定义为停止条件（P）。

5.3 系统配置

在 I²C 系统中，产生消息的设备称为“发送器”，接收消息的设备称为“接收器”。控制消息的设备是“主机”，受主机控制的设备是“从机”。

5.4 应答机制

在 START 和 STOP 条件之间传输的数据字节数没有限制，每个 8 位字节后都跟随一个应答位。发送器在总线上发送高电平的应答位，主机产生一个额外的应答时钟脉冲。被寻址的从机接收器在接收每个字节后必须产生一个应答；主机在接收从机发送器输出的每个字节后也必须产生一个应答。应答设备在应答时钟脉冲期间需要将 SDA 线拉低，确保在应答时钟脉冲的高电平期间 SDA 线稳定为低电平，同时要考虑建立和保持时间。主机接收器在接收到从机发送的最后一个字节后，不产生应答信号表示数据传输结束，此时发送器应将数据线保持高电平，以便主机产生 STOP 条件。

5.5 总线事务

• 写操作：使用写模式将数据发送到 PCA9547 的控制寄存器，主机先发送从机地址，得到从机应答后，再发送控制寄存器的数据。
• 读操作：使用读模式从 PCA9547 读取数据，主机发送从机地址后，从机应答，然后主机读取控制寄存器的数据。

六、应用设计信息

6.1 典型应用

PCA9547 的典型应用场景是将一个 I²C 总线扩展为多个通道，以连接多个下游设备。在实际设计中，需要根据具体的应用需求选择合适的封装和配置参数，如电源电压、上拉电阻值等。

6.2 注意事项

在设计过程中，需要注意器件的极限参数，如电源电压、输入电压、输入输出电流等，确保在实际应用中不超过这些极限值，以保证器件的正常工作和可靠性。

七、封装与焊接

7.1 封装形式

PCA9547 提供了三种不同的封装，每种封装都有其独特的尺寸和引脚配置。在选择封装时，需要综合考虑 PCB 布局、散热需求和安装方式等因素。

7.2 焊接方法

焊接是将器件连接到 PCB 上的关键步骤，常用的焊接方法有波峰焊和回流焊。

• 波峰焊：适用于通孔元件和部分表面贴装元件，但对于一些细间距的 SMD 元件和底部有焊盘的无引脚封装元件不适用。
• 回流焊：适用于各种封装形式的元件，尤其适用于小型化、高密度的 PCB 设计。回流焊过程中，需要注意焊膏的印刷质量、温度曲线的设置等因素，以确保焊接质量。同时，不同封装的元件在回流焊过程中的温度要求也有所不同，需要根据元件的厚度和体积进行合理调整。

在实际应用中，PCA9547 这款八通道 I²C 总线复用器以其丰富的特性和强大的功能，为电子工程师在 I²C 总线扩展和管理方面提供了可靠的解决方案。但在设计过程中，我们还需要充分考虑各种因素，如器件的电气特性、封装形式、焊接工艺等，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用 PCA9547 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。