具有單片機(jī)串行接口的汽車電子驅(qū)動(dòng)器

摘要：MC33298是Motorola公司推出的新型汽車電子驅(qū)動(dòng)器，它具有8路輸出，可由8位串行控制。MC33298所具有的獨(dú)特的串行外設(shè)接口（SPI）可以使其和各種單片機(jī)直接相連以控制不同的負(fù)載。文中介紹了MC33298的特點(diǎn)、功能和工作原理，并給出了它的幾種典型的接口應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)器 串行接口 單片機(jī) MC22298

1 概述

MC33298是一種較為新穎的汽車驅(qū)動(dòng)器，它具有8路輸出的低邊功率開(kāi)關(guān)，由8位串行控制。MC33298采用新型集成工藝，內(nèi)含集成CMOS邏輯、雙極性MOS模擬電路和DMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管等多種電路。由于該芯片具有串行外設(shè)接口（SPI），所以能和多種單片機(jī)直接相連，以控制不同的感性或白熾燈負(fù)載。

以極性MOS模擬電路被嵌入DMOS輸出晶體管的漏極中，能對(duì)每路輸出進(jìn)行監(jiān)視并提供快速、獨(dú)立的保護(hù)功能。而且所有的輸出都具有0.5A/65V嵌位電壓，以提供快速感性截止和瞬態(tài)保護(hù)。

MC33298使用高效的上漏極功率DMOS輸出晶體管，其漏-源導(dǎo)通電阻較小，一般RDS（on）≤0.45Ω，可方便地達(dá)到控制邏輯輸出電路的目的。

MC33298除可用于汽車驅(qū)動(dòng)器外，還可用在計(jì)算機(jī)、通信和工業(yè)控制等方面，因而它是一種多用途的芯片。由于它用邏輯電平的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為輸出器件，并可在小柵壓下（5.0V）導(dǎo)通，所以不需要內(nèi)部電荷泵。

所有的輸入均與5.0V CMOS邏輯電平兼容。并具有負(fù)極性和反向邏輯功能。當(dāng)輸入編程電壓為低電平（1.0V）時(shí)，相應(yīng)受控的低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通（低電平有效）；當(dāng)輸入編程電壓為高電平（>3.0V）時(shí)，則相應(yīng)受控的低邊開(kāi)關(guān)截止（高電平有效）。

2 芯片簡(jiǎn)介

2.1 主要特點(diǎn)

MC33298汽車電子驅(qū)動(dòng)器具有如下主要特點(diǎn)：

●具有與單片機(jī)串行接口兼容的SPI；

●SPI通信可用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器和故障檢測(cè)；

●具有8路輸出驅(qū)動(dòng)器；

●8位串行I/O電平與CMOS電平兼容；

●工作電壓寬：5.5V～26.5V；

●具有多種保護(hù)功能：

負(fù)載開(kāi)路輸出；

過(guò)壓檢測(cè)和關(guān)斷處理；

過(guò)熱檢測(cè)和關(guān)斷處理；

短路檢測(cè)和關(guān)斷處理。

●在驅(qū)動(dòng)白熾燈負(fù)載時(shí)，輸出電流被限制在3.0A～6.0A；

●當(dāng)VDD=2.0V時(shí)，最大睡眠電流（IPWR）為50μA；

●最大電源電流IDD為4.0mA；

●對(duì)于感性負(fù)載，輸出鉗位電壓為65V；

●串行工作頻率為2.0MHz；

●開(kāi)關(guān)管峰值輸出電流（25℃）為3.0A時(shí)，最大接通電阻RDS（on）為0.45Ω；

●在所有輸出均為接通狀態(tài)時(shí)，最大IPWR為2.0mA。

2.2 引腳功能

MC33298具有DIP（20引腳）和SOP（24引腳）兩種封裝形式，其引腳功能如表1所列。

表1 引腳功能

3 工作原理

MC33298的內(nèi)部電路框圖如圖1所示，它由串行數(shù)據(jù)輸出線驅(qū)動(dòng)器、SPI接口邏輯電路、穩(wěn)壓器、故障定時(shí)器、多保護(hù)電路等組成。

3.1 串行外設(shè)接口（SPI）

SPI是MC33298的重要特點(diǎn)之一，它能與許多標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和單片機(jī)直接通信。在通信過(guò)程中，SPI不僅能減少M(fèi)C33298輸入/輸出（I/O）所需的引腳數(shù)量，而且還能為單片機(jī)提供一種用少量引腳外擴(kuò)I/O的有效方法。利用SPI傳送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)先發(fā)送后接收，數(shù)據(jù)位同時(shí)由單片機(jī)的MOSI引腳（單片機(jī)輸出串行輸入）發(fā)送并由MISO引腳（單征機(jī)輸入串行輸出）接收。發(fā)送和接收主要決定于通信選擇引腳CSB的邏輯電平。當(dāng)CSB為低電平時(shí)，單片機(jī)向MC33298傳送數(shù)據(jù)（即單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)）；當(dāng)CSB為高電平時(shí)，MC33298向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)（即單片機(jī)接收數(shù)據(jù)）。CSB引腳的邏輯電平也能用于控制SO的輸出驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，啟動(dòng)SO的輸出驅(qū)動(dòng)器，并允許把數(shù)據(jù)從MC33298向單片機(jī)傳送。為了避免假數(shù)據(jù)，在CSB引腳上的數(shù)據(jù)由高到低的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換僅在SCLK低電平時(shí)才發(fā)生。當(dāng)串行指令數(shù)據(jù)輸入到SI引腳并使SI為高電平時(shí)，關(guān)掉編程輸出；而當(dāng)SI為低電平時(shí)，接通編程輸出。為了對(duì)MC33298中8個(gè)輸出的導(dǎo)通或關(guān)斷進(jìn)行編程，需要8位串行數(shù)據(jù)輸入到SI引腳，以啟動(dòng)輸出7、輸出6、……輸出0。對(duì)于每個(gè)SCLK的上升沿，在CSB為低電平時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)位指令（通或斷）被送入移位寄存器，當(dāng)8位裝完后，移位寄存器就宣布已經(jīng)滿了。為了確保信息數(shù)據(jù)的完整性，當(dāng)時(shí)鐘SCLK從低到高變化時(shí)，SI電平必須保持不變。

在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，應(yīng)遵照先入先出的原則，即輸入輸出字的傳送應(yīng)以最高位（MSB）在先的原則。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序圖如圖2所示。

3.2 保持電路

具有多種保護(hù)電路是MC33298的另一個(gè)重要特點(diǎn)，它能使芯片和有關(guān)系統(tǒng)免遭損失，以進(jìn)一步提高它的適應(yīng)能力。MC33298具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)漢、短路、負(fù)載開(kāi)路等保持功能，現(xiàn)對(duì)其中的負(fù)載開(kāi)路保護(hù)電路作些分析。

當(dāng)相應(yīng)輸出被禁止時(shí)MC33298能夠檢測(cè)或顯示出“輸出斷路，負(fù)載開(kāi)路”故障。它是通過(guò)芯片仙MOSFET的漏極電壓與內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓相比較來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的，每個(gè)輸出均有一個(gè)用于檢測(cè)的專用比較器。

當(dāng)輸出電壓小于（0.6V～0.8V）VDD的輸出門限電壓Vthres時(shí)，芯片限可檢測(cè)出輸出斷開(kāi)或負(fù)載開(kāi)路故障。由于MC33298的輸出可作為開(kāi)關(guān)使用，所以在正常工作時(shí)，每個(gè)MOSFET輸出均應(yīng)完全導(dǎo)通或截止。

由于MOSFET的漏-源導(dǎo)通電壓VDS小于門限電壓，而MOSFET漏-源截止電壓大于門限電壓。因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，門限電壓應(yīng)選擇在MOSFET的導(dǎo)通電壓和截止電壓之間。

4 應(yīng)用電路

由于MC33298具有多種獨(dú)特的性能，所以在各種領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，以下介紹幾種典型的應(yīng)用電路。

4.1 汽車電子驅(qū)動(dòng)電路

由MC33298組成的汽車電子驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，從圖中可以看出，該電路是與單片機(jī)總線直接相連的，是最簡(jiǎn)單的接口電路。另外，驅(qū)動(dòng)負(fù)載可以是同一性質(zhì)也可以是不同性質(zhì)。電路中需要三級(jí)電源來(lái)供電，分別是數(shù)字電源VDD、芯片電源VPWR和Vbat。

4.2 SPI與單片機(jī)的接口電路

MC33298與單片機(jī)的接口電路如圖4所示，這是在汽車驅(qū)動(dòng)器中常見(jiàn)的接口電路，圖中，單片機(jī)的控制線與MC33298的相應(yīng)線直接相連。在使用中，MC33298作為單片機(jī)的擴(kuò)展器和緩沖器使用，并具有故障管理和故障報(bào)警功能。它在2.0MHz的串行時(shí)鐘頻率下可進(jìn)行各種控制和診斷故障，從而保證芯片和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

多路驅(qū)動(dòng)和輸出外擴(kuò)的原理電路如圖5所示。這是一種利用一塊單片機(jī)控制多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的接口電路，圖中的多個(gè)芯片被連成進(jìn)行鍵形式，從而形式了一個(gè)大系統(tǒng)，該系統(tǒng)可控制32路負(fù)載。

SPI也可并行輸入，此時(shí)可利用單片機(jī)的并行口進(jìn)行片選，具體電路如圖6所示，采用該電路能控制24的路負(fù)載。

在實(shí)際應(yīng)用中，也可以使用主從單片機(jī)進(jìn)行通信，以控制多個(gè)芯片，其實(shí)際電路如圖7所示。在這個(gè)系統(tǒng)中的任何時(shí)間里，主單片機(jī)只能有一個(gè)，而從單片機(jī)可以有一個(gè)或多個(gè)。需要說(shuō)明的是：只有當(dāng)主單片機(jī)不通信時(shí)，從單片機(jī)才能進(jìn)行能信。