深入剖析Onsemi NLA9535/NLA9535C：低功耗16位I/O扩展器的应用指南

在电子设计领域，I/O扩展器是常用的器件，它能解决系统中I/O端口不足的问题。Onsemi推出的NLA9535和NLA9535C低功耗16位I/O扩展器，通过I²C总线/SMBus提供16位通用并行输入/输出（GPIO）扩展，为工程师们带来了新的选择。下面我们就来详细了解一下这两款器件。

文件下载：NLA9535-D.PDF

一、产品概述

1. 基本功能

NLA9535和NLA9535C由两个8位配置（输入或输出选择）、输入、输出和极性反转（高电平或低电平有效操作）寄存器组成。上电时，所有I/O默认设置为输入，可通过写入相应的I/O配置位将每个I/O配置为输入或输出。数据存储在对应的输入或输出寄存器中，极性反转寄存器可用于反转读取寄存器的极性，且所有寄存器都能被系统控制器读取。

2. 器件差异

NLA9535与NLA9555类似，但没有内部I/O上拉电阻，这在I/O保持低电平时能显著降低功耗。NLA9535C与NLA9535相同，但I/O引脚具有高阻抗开漏输出。

二、产品特性

1. 电气特性

• 宽电压范围：VDD工作范围为1.65V至5.5V，能适应多种电源环境。
• 高电流能力：SDA灌电流能力达30mA，可满足一些对电流要求较高的应用。
• 5.5V容限I/O：提高了器件的抗干扰能力和兼容性。

2. 其他特性

• 极性反转寄存器：方便对输入数据的极性进行调整。
• 低电平有效中断输出：当任何输入状态与其对应的输入端口寄存器状态不同时，开漏中断输出被激活，可及时通知系统控制器输入状态的变化。
• 低待机电流：有助于降低系统功耗。
• SCL/SDA输入噪声滤波器：能有效抑制噪声干扰。
• 上电无毛刺，内部上电复位：保证了器件上电时的稳定性。
• 64个可编程目标地址：使用三个地址引脚（AD0、AD1、AD2），最多允许64个设备共享同一I²C总线/SMBus。
• 支持多种I²C时钟频率：标准模式100kHz、快速模式400kHz、快速模式+1MHz，可根据实际需求选择合适的通信速率。
• 良好的ESD性能：人体模型2000V，增强了器件的可靠性。

三、引脚与封装

1. 引脚分配

器件提供TSSOP - 24和WQFN24两种封装形式，不同封装的引脚分配有所不同，但功能一致。例如，INT引脚为中断输出（低电平有效，需通过上拉电阻连接到VDD）；AD0、AD1、AD2为地址输入引脚，用于配置I²C总线目标地址；SCL和SDA分别为串行时钟线和串行数据线，也需通过上拉电阻连接到VDD。

2. 封装尺寸

文档中详细给出了WQFN24（4x4, 0.5P）和TSSOP24（7.8x4.4, 0.65P）两种封装的尺寸规格，工程师在进行PCB设计时可根据实际需求选择合适的封装。

四、电气参数

1. 最大额定值

给出了VDD直流电源电压、I/O输入/输出引脚电压、输入电流、输出电流等参数的最大额定值，使用时需确保不超过这些限制，否则可能会损坏器件。例如，VDD直流电源电压范围为 - 0.5V至 + 6.5V。

2. 推荐工作条件

规定了VDD正直流电源电压、I/O开关输入/输出电压、工作环境温度等推荐工作条件，在这些条件下使用能保证器件的正常性能和可靠性。如VDD推荐范围为1.65V至5.5V，工作环境温度范围为 - 55°C至 + 125°C。

3. 直流和交流电气特性

详细列出了各种电气特性参数，如待机电流、上电复位电压、输入输出电压、电流等，这些参数为工程师进行电路设计和性能评估提供了重要依据。

五、设备地址与寄存器

1. 设备地址

通过三个地址引脚AD2、AD1和AD0可选择64个目标地址中的一个，文档中给出了详细的地址映射表。在进行I²C通信时，总线控制器需先发送目标设备的地址和操作类型（读或写）。

2. 寄存器

• 命令字节：在写传输过程中，地址字节之后是命令字节，它决定了要写入或读取的寄存器。
• 输入端口寄存器：输入端口0和1寄存器为只读寄存器，反映引脚的实际逻辑电平，与引脚是否被定义为输入或输出无关。
• 输出端口寄存器：输出端口0和1寄存器为只写寄存器，反映被定义为输出的引脚的逻辑电平，读取这些寄存器得到的是控制输出选择的触发器的值，而非实际引脚值。
• 极性反转寄存器：可对输入端口寄存器中的数据极性进行反转。
• 配置寄存器：用于配置I/O引脚的方向，当配置寄存器中的位被置为‘1’时，对应的端口引脚被配置为输入，输出驱动器处于高阻抗状态；当位被清为‘0’时，对应的端口引脚被配置为输出。

六、总线事务

1. 写入端口寄存器

总线控制器先发送设备地址（最低有效位设置为逻辑0），接着发送命令字节，确定要接收数据的寄存器。数据字节会交替发送到寄存器对中的每个寄存器，可独立更新每个8位寄存器。

2. 读取端口寄存器

总线控制器先发送设备地址（最低有效位设置为逻辑0）和命令字节，确定要访问的寄存器。重启后，再次发送设备地址（最低有效位设置为逻辑1），NLA9535/NLA9535C将发送由命令字节定义的寄存器中的数据。读取数据时，数据会交替来自寄存器对中的每个寄存器。

七、中断输出

当配置为输入的I/O引脚状态发生变化时，开漏中断输出被激活；当输入引脚恢复到先前状态或读取输入端口寄存器时，中断被禁用。需要注意的是，将I/O从输出更改为输入时，如果引脚状态与输入端口寄存器的内容不匹配，可能会导致误中断。

八、应用信息

1. I²C总线特性

I²C总线用于不同IC或模块之间的双向、两线通信，包括串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），两条线都需通过上拉电阻连接到正电源。数据传输只能在总线空闲时启动。

2. 位传输、起始和停止条件

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。起始条件（S）是时钟为高电平时数据线从高到低的转换；停止条件（P）是时钟为高电平时数据线从低到高的转换。

3. 系统配置与确认

发送消息的设备是“发送器”，接收消息的设备是“接收器”，控制消息的设备是“控制器”，被控制器控制的设备是“目标”。每个8位字节后都有一个确认位，目标接收器和控制器在接收到每个字节后都需产生确认信号。

九、总结

Onsemi的NLA9535和NLA9535C低功耗16位I/O扩展器具有丰富的特性和良好的电气性能，能满足多种应用场景的需求。在使用过程中，工程师需根据实际情况合理选择封装、配置设备地址和寄存器，注意总线事务的操作流程和中断输出的处理，以确保系统的稳定运行。大家在实际应用中遇到过哪些与I/O扩展器相关的问题呢？欢迎在评论区分享交流。