深入解析 onsemi CAT9555：16 位 I²C 和 SMBus I/O 端口扩展器

在电子设计领域，当我们面临需要扩展 I/O 端口的应用场景时，onsemi 的 CAT9555 是一款值得关注的 CMOS 设备。下面将详细介绍这款设备的特点、参数、功能及应用。

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一、产品概述

CAT9555 为 I²C 和 SMBus 兼容应用提供 16 位并行输入/输出端口扩展，可用于传感器、电源开关、LED、按钮和风扇等需要额外 I/O 的应用中。它由两个 8 位配置端口（输入或输出）、输入、输出和极性反转寄存器，以及一个 I²C/SMBus 兼容串行接口组成。

二、产品特性

电气特性

• 电压兼容性：支持 2.3V 至 5.5V 操作，400kHz I²C 总线兼容，适用于多种电源环境。
• 低功耗：具有低待机电流，在不同工作模式下，电流消耗控制在合理范围内，如在 (V{CC}=5.5V) 、无负载、(f{SCL} = 100kHz) 时，供应电流最大为 200μA。
• I/O 特性：I/O 引脚具有 5V 容限，默认在上电时为输入状态，具备高驱动能力，可单独配置每个 I/O 引脚。
• 极性反转：通过极性反转寄存器，可对输入数据进行极性反转。
• 中断输出：有一个低电平有效中断输出，当输入状态发生变化时，向系统主设备发出信号。

其他特性

• 复位与抗干扰：内部具有上电复位功能，上电时无毛刺，SDA/SCL 输入有噪声滤波器。
• 可级联性：最多可级联 8 个设备，通过三个地址输入引脚实现扩展寻址能力。
• 环保标准：采用 24 引脚 TSSOP 封装，符合无铅、无卤和 RoHS 标准，工作温度范围覆盖工业温度范围。

三、引脚说明

TSSOP	Pin Name	Function
1	INT	中断输出（开漏）
2	A1	地址输入 1
3	A2	地址输入 2
4 - 11	I/O 0.0 - I/O 0.7	I/O 端口 0.0 到 I/O 端口 0.7
12	VSS	接地
13 - 20	I/O 1.0 - I/O 1.7	I/O 端口 1.0 到 I/O 端口 1.7
21	A0	地址输入 0
22	SCL	串行时钟
23	SDA	串行数据
24	VCC	电源供应

各引脚功能详解

• SCL 和 SDA：SCL 为串行时钟输入，用于时钟所有传入或传出设备的数据；SDA 是双向串行数据/地址引脚，用于传输所有数据。SCL 和 SDA 线都需要上拉电阻，上拉电阻的值可根据具体情况计算。
• A0、A1、A2：用于扩展寻址，可将这些引脚硬连线到 VCC 或 VSS，最多可在单个总线系统上寻址 8 个 CAT9555 设备。
• I/O 引脚：可配置为输入或输出。配置为输入时，呈现高阻抗输入并带有弱上拉电阻；配置为输出时，推挽输出级启用。
• INT：开漏中断输出，当配置为输入的端口引脚状态发生变化时激活，输入恢复到先前状态或读取输入端口寄存器时中断停用。

四、电气参数

绝对最大额定值

Parameters	Ratings	Unit
(V_{CC}) 相对于地	-0.5 到 +6.5	V
任何引脚相对于地的电压	-0.5 到 +5.5	V
I/O 引脚的直流电流	± 50	mA
直流输入电流	± 20	mA
(V_{CC}) 供应电流	160	mA
(V_{SS}) 供应电流	200	mA
封装功耗能力（(T_A = 25°C)）	1.0	W
结温	+150	°C
存储温度	-65 到 +150	°C

直流和交流特性

文档中详细给出了不同条件下的直流和交流特性参数，如不同电源电压、温度范围内的供应电流、输入输出电压、时钟频率、信号上升和下降时间等。在设计时，需根据实际应用场景选择合适的参数。

五、I²C 总线协议与操作

协议规则

• 数据传输条件：数据传输只能在总线不忙时启动，传输过程中，时钟线为高时数据线必须保持稳定，数据线的变化会被解释为起始或停止条件。
• 起始和停止条件：起始条件是 SCL 为高时 SDA 从高到低的转变；停止条件是 SCL 为高时 SDA 从低到高的转变。
• 设备寻址：总线主设备发送起始条件后，需发送从设备地址字节，CAT9555 的从设备地址前四位固定为 0100，接下来三位为地址位，第 8 位为 R/W 位，用于指定读写操作。
• 确认机制：成功的数据传输后，接收设备需产生确认信号，将 SDA 线在第 9 个时钟周期拉低。

寄存器操作

寄存器类型

• 输入端口寄存器：只读，反映 I/O 引脚的逻辑电平，写入操作被忽略。
• 输出端口寄存器：设置 I/O 端口的输出逻辑电平，对定义为输入的 I/O 引脚无影响。
• 极性反转寄存器：可对输入端口寄存器数据进行极性反转。
• 配置寄存器：设置端口方向，上电时 I/O 配置为带弱上拉电阻的输入。

读写操作

• 写操作：数据按图 10 和图 11 所示的写模式传输到 CAT9555 寄存器，寄存器按四对操作，写入一个寄存器后，下一个数据字节将写入配对的另一个寄存器。
• 读操作：根据图 12 和图 13 所示的时序图读取寄存器数据，数据在确认时钟脉冲的下降沿时钟进入寄存器，第一次读取后可继续读取配对的另一个寄存器数据，主设备不确认数据字节并发出停止条件时传输停止。

六、应用场景

CAT9555 适用于多种应用场景，如白色家电（洗碗机、洗衣机）、手持设备（手机、PDA、数码相机）和数据通信（路由器、集线器和服务器）等。

七、订购信息与修订历史

文档提供了订购信息，如示例中的 CAT9555YI - T2（TSSOP 封装、工业温度、亚光锡、卷带包装），并说明了所有封装均符合 RoHS 标准。同时，还给出了修订历史，记录了数据手册的更新情况。

在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理选择和使用 CAT9555 设备，充分发挥其性能优势。你在使用类似 I/O 扩展器时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。