恩智浦I2C車用離散器件 – GPIO 篇

前言 ：

• 你知道嗎? 恩智浦於 1982 年發明 I2C 協議, 專利於 2006 年 10 月 1 日到期, 雖然市場上已有許多競爭者, 但仍佔有 > 40 % 的市佔率.
• 你知道嗎? 恩智浦 I2C 通用器件超過 300 種以上, 而最大競爭對手其產品仍少於 70 種器件.
• 你知道嗎, 在未來, NXP 正致力於發展通過車規認證, 適合車身控制模組以及多域控制器週邊的器件.

 

為取代傳統複雜的並行接口介面, 恩智浦于 1982 年發明了既簡單又強大的串行結構，徹底改變了芯片間通信的I2C 介面。
簡單來說就是用兩根線便可取代複雜的 8 根以上的並行接口.

而同時在不引響訊號品質下又能並接及控制多個器件.

現已發展出完整的產品, 如輸出輸入埠擴充 (GPIO Expander), 實時時鐘 (RTC), 多路復用器/開關 (Mux/Switch),
電平轉換器 (Level Shift), LED 驅動元件 (LED Driver)….

GPIO (通用輸入輸出埠) 作為數位信號的基本, 可用於控制輸出如 LED 燈泡亮暗, EN 引腳,  電源偵測輸出(Power Good), 重置控制 (RESET)….等
所有僅需高低電位就能控制的功能, 作為輸入可應用於鍵盤掃描 (Key Scan), 溫度感知器過溫偵測 (Temp Sensor Over Temp Interrupt),
實時芯片計時功能通知 （RTC Alarm ）..
通常在核心芯片 (MCU, CPU, MPU), 都會有許多引腳是作為 GPIO (通用輸入輸出埠)的應用.
而 NXP 推出 GPIO Expander (通用輸入輸出埠擴展)系列, 在當核心芯片輸入輸出埠引腳不足之時,
則可用簡單兩隻腳的溝通協議 I2C 便可擴充到 4隻, 8 隻, 16 隻, 24 隻, 34 隻, 最多高達40 隻, 當中又可依輸入輸出埠種類以及是否需要 Int
( 中斷通知) 或是 Reset (重置功能) 去選擇,

詳細可參考 Selector Guide 內容.

GPIO Expander (通用輸入輸出埠擴展)型錄

NXP I2C GPIO Expander (通用輸入輸出埠擴展) 依邏輯閘功能可以分三大類,

1. Quasi Output (準輸出) : 無需拉上升電阻, 內有 100uA 電流源. 特色是代源碼比較簡單無需設定, 無需上拉電阻,
適合用在輸入埠. 缺點是當輸出埠會因電流源限制而導致驅動能力較弱.

2. Totem-Pole Output (推挽式輸出埠) ：上下皆有 PMOS 設計, 有些型號還包含100K 歐姆上拉電阻可簡化設計電路,
優點是當作輸出埠推動能力較好, 缺點在於當系統省電模式下有可能會有漏電流的情形發生.

3. Open-Drain Output (開漏式輸出) : 無上拉電路需外加上拉電阻, 某些系統希望電源剛開啟時輸出輸入埠不要有高電位則建議此系列
.
以往, 通用輸入輸出埠皆廣泛應用在電腦, 工業, 消費性電子產業市場, 而近年來由於汽車市場蓬勃發展, NXP 特針對車用 AEC-Q100 規範推出通用輸入輸出埠擴展器應用的對應元件,

目標 :

1. 人身控制.
2. 行車電腦如電壓轉換中斷, 偵測狀態如 Relay(中繼器), 按鈕等…
3. 讀系統中斷資訊.
4. 給次系統重置訊號.
5. 驅動 LED 燈泡(條).……..

產品時程:

 

目前 I2C 介面有 8 隻及 16 隻 GPIO(輸入輸出埠擴展器)
型號是

PCA9538PW/Q900 (8bit)
PCA9539PW/Q900 , PCA9539RPW/Q900 (16bit)

規格:

1. 中斷及重置引腳.
2. 工作電壓0 – 5.5 伏特
3. 5 伏特輸入輸出範圍.
4. 400K 赫茲 I2C 時鐘頻率.
5. 內部電源啟動重置功能.

 方塊圖 :

另外, 特別要提到 SPI 介面的 GPI (輸入埠擴展器)因為SPI 速度比之 I2C 更快, 達到 5M 赫茲,
所以在輸入需求的感知如車用人身控制及電子訊號感測會更合適,也兼具更高電壓 18V 輸入範圍.

型號是

PCA9704PW/Q900 (8bit)
PCA9703PW/Q900 (16bit)

規格:

1. 中斷輸出, 中斷頻蔽, 中斷啟用功能.
2. 工作電壓 0 – 5.5 伏特
3. 18 伏特輸入範圍以及內建 100K 歐姆上升電阻.
4. 5M 赫茲 SPI頻率.
5. SPI 支持菊花鏈接, 可連接更多開關數量.

方塊圖 :

NXP I2C GPIO Expander (通用輸入輸出埠擴展器)應用範例 :

未來, NXP 在 I3C 車用也不缺席, 將會順勢推出 I3C 介面 GPIO Expander (通用輸入輸出埠擴展器) PC3L6524.

特色 :

1. 24 隻輸入輸出埠引腳.
2. VFBGA36 封裝. (包裝更小)
3. I3C 支持最高 5M 赫茲速率.
4. 符合車規 AEC-Q100 規範.
5. 支持 NXP 最新Agile GPIO 功能.

Agile GPIO 功能簡介 :

1). 輸入鎖定, bit by bit, 鎖住輸入 Pin 改變直到數據參數讀到之後.

2). 輸出驅動強度控制, (初始 10毫安, 最大 25毫安), 可以調整 25%, 50%, 75%以及百分之百.

3). 推挽式或開露是邏輯設定.

4). 上升或是對地電阻可以程式設定.

 

參考資料 :

規格書 :

• https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCA9538.pdf
• https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCA9539_PCA9539R.pdf
• https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCA9704.pdf
• https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCA9703.pdf

2020年 I2C 產品型錄 :

• https://www.nxp.com/docs/en/product-selector-guide/I2CSELECTORBROC.pdf

開發版 :

1. I2C FM+(快速模式加強版) 母版
https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10741.pdf

2. 8 隻腳輸入輸出埠子
https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10751.pdf

3. 16 隻腳輸入輸出埠子板
https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10752.pdf