具有單片機串行接口的汽車電子驅動器

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

關鍵詞：驅動器 串行接口 單片機 MC22298

1 概述

MC33298是一種較為新穎的汽車驅動器，它具有8路輸出的低邊功率開關，由8位串行控制。MC33298采用新型集成工藝，內含集成CMOS邏輯、雙極性MOS模擬電路和DMOS功率場效應管等多種電路。由于該芯片具有串行外設接口（SPI），所以能和多種單片機直接相連，以控制不同的感性或白熾燈負載。

以極性MOS模擬電路被嵌入DMOS輸出晶體管的漏極中，能對每路輸出進行監視并提供快速、獨立的保護功能。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保護。

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

MC33298除可用于汽車驅動器外，還可用在計算機、通信和工業控制等方面，因而它是一種多用途的芯片。由于它用邏輯電平的MOS場效應晶體管作為輸出器件，并可在小柵壓下（5.0V）導通，所以不需要內部電荷泵。

所有的輸入均與5.0V CMOS邏輯電平兼容。并具有負極性和反向邏輯功能。當輸入編程電壓為低電平（1.0V）時，相應受控的低邊開關導通（低電平有效）；當輸入編程電壓為高電平（>3.0V）時，則相應受控的低邊開關截止（高電平有效）。

2 芯片簡介

2.1 主要特點

MC33298汽車電子驅動器具有如下主要特點：

●具有與單片機串行接口兼容的SPI；

●SPI通信可用來控制驅動器和故障檢測；

●具有8路輸出驅動器；

●8位串行I/O電平與CMOS電平兼容；

●工作電壓寬：5.5V～26.5V；

●具有多種保護功能：

負載開路輸出；

過壓檢測和關斷處理；

過熱檢測和關斷處理；

短路檢測和關斷處理。

●在驅動白熾燈負載時，輸出電流被限制在3.0A～6.0A；

●當VDD=2.0V時，最大睡眠電流（IPWR）為50μA；

●最大電源電流IDD為4.0mA；

●對于感性負載，輸出鉗位電壓為65V；

●串行工作頻率為2.0MHz；

●開關管峰值輸出電流（25℃）為3.0A時，最大接通電阻RDS（on）為0.45Ω；

●在所有輸出均為接通狀態時，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的內部電路框圖如圖1所示，它由串行數據輸出線驅動器、SPI接口邏輯電路、穩壓器、故障定時器、多保護電路等組成。

3.1 串行外設接口（SPI）

SPI是MC33298的重要特點之一，它能與許多標準外設和單片機直接通信。在通信過程中，SPI不僅能減少MC33298輸入/輸出（I/O）所需的引腳數量，而且還能為單片機提供一種用少量引腳外擴I/O的有效方法。利用SPI傳送數據時，單片機先發送后接收，數據位同時由單片機的MOSI引腳（單片機輸出串行輸入）發送并由MISO引腳（單征機輸入串行輸出）接收。發送和接收主要決定于通信選擇引腳CSB的邏輯電平。當CSB為低電平時，單片機向MC33298傳送數據（即單片機發送數據）；當CSB為高電平時，MC33298向單片機傳送數據（即單片機接收數據）。CSB引腳的邏輯電平也能用于控制SO的輸出驅動器，當該引腳為低電平時，啟動SO的輸出驅動器，并允許把數據從MC33298向單片機傳送。為了避免假數據，在CSB引腳上的數據由高到低的數據轉換僅在SCLK低電平時才發生。當串行指令數據輸入到SI引腳并使SI為高電平時，關掉編程輸出；而當SI為低電平時，接通編程輸出。為了對MC33298中8個輸出的導通或關斷進行編程，需要8位串行數據輸入到SI引腳，以啟動輸出7、輸出6、……輸出0。對于每個SCLK的上升沿，在CSB為低電平時，一個數據位指令（通或斷）被送入移位寄存器，當8位裝完后，移位寄存器就宣布已經滿了。為了確保信息數據的完整性，當時鐘SCLK從低到高變化時，SI電平必須保持不變。

在數據傳送過程中，應遵照先入先出的原則，即輸入輸出字的傳送應以最高位（MSB）在先的原則。數據傳輸的時序圖如圖2所示。

3.2 保持電路

具有多種保護電路是MC33298的另一個重要特點，它能使芯片和有關系統免遭損失，以進一步提高它的適應能力。MC33298具有過壓、欠壓、過熱、過漢、短路、負載開路等保持功能，現對其中的負載開路保護電路作些分析。

當相應輸出被禁止時MC33298能夠檢測或顯示出“輸出斷路，負載開路”故障。它是通過芯片仙MOSFET的漏極電壓與內部產生的基準電壓相比較來進行檢測的，每個輸出均有一個用于檢測的專用比較器。

當輸出電壓小于（0.6V～0.8V）VDD的輸出門限電壓Vthres時，芯片限可檢測出輸出斷開或負載開路故障。由于MC33298的輸出可作為開關使用，所以在正常工作時，每個MOSFET輸出均應完全導通或截止。

由于MOSFET的漏-源導通電壓VDS小于門限電壓，而MOSFET漏-源截止電壓大于門限電壓。因此，在電路設計時，門限電壓應選擇在MOSFET的導通電壓和截止電壓之間。

4 應用電路

由于MC33298具有多種獨特的性能，所以在各種領域中得到廣泛的應用，以下介紹幾種典型的應用電路。

4.1 汽車電子驅動電路

由MC33298組成的汽車電子驅動電路如圖3所示，從圖中可以看出，該電路是與單片機總線直接相連的，是最簡單的接口電路。另外，驅動負載可以是同一性質也可以是不同性質。電路中需要三級電源來供電，分別是數字電源VDD、芯片電源VPWR和Vbat。

4.2 SPI與單片機的接口電路

MC33298與單片機的接口電路如圖4所示，這是在汽車驅動器中常見的接口電路，圖中，單片機的控制線與MC33298的相應線直接相連。在使用中，MC33298作為單片機的擴展器和緩沖器使用，并具有故障管理和故障報警功能。它在2.0MHz的串行時鐘頻率下可進行各種控制和診斷故障，從而保證芯片和系統的正常運行。

多路驅動和輸出外擴的原理電路如圖5所示。這是一種利用一塊單片機控制多個驅動器的接口電路，圖中的多個芯片被連成進行鍵形式，從而形式了一個大系統，該系統可控制32路負載。

SPI也可并行輸入，此時可利用單片機的并行口進行片選，具體電路如圖6所示，采用該電路能控制24的路負載。

在實際應用中，也可以使用主從單片機進行通信，以控制多個芯片，其實際電路如圖7所示。在這個系統中的任何時間里，主單片機只能有一個，而從單片機可以有一個或多個。需要說明的是：只有當主單片機不通信時，從單片機才能進行能信。