基于SPI控制的开关芯片MC33996的原理及应用

0 引言

　　MC33996是一个具有24位串行输人的16路输出低位开关。它专门针对汽车上电感负载、白炽灯和LED负载的控制和故障检测而设计。其串行外围接口(SPI)可用于输人控制和故障检测读出，其脉冲宽度调制(PWM)控制输入口可以控制多路输出端口，以使其输出同样占空比的脉冲宽度调制信号，而专用的复位输入端则用于清除内部寄存器和关闭所有输出端口。MC33996可以直接与微控制器进行连接，并与3.3 v和5.0 v的CMOS逻辑电瓶相兼容。此外，MC33996具有休眠和工作两种模式，在休眠模式(SOPWR不大于2．0 V)下。VPWR脚的电流损耗小于10 μA。在实际运用中，MC33996可当作总线扩展和缓冲器用，且具有故障管理功能，由此降低MCU的故障管理负荷。所以该芯片以其独特的功能和特性被广泛地应用在汽车电子及其工业控制领域之中。

1 MC33996的结构功能

1．1 MC33996的主要特性

      MC33996的主要特性如下：

　　◇工作电压范围为5．0～27 v；

　　◇带有24位串行外围接口，用于控制输入和故障的读出，可以兼容3.3v和5．0v电压；

　　◇可驱动白炽灯，输出限流在0．9—2 5A；

　　◇当其带感性负载通断时，其输出电压可钳位在+50V；

　　◇可通过电流检测判断负载的开路与否；

　　◇VPWR端的待机电流小于10 A；

　　◇具有独立的过热保护功能；

　　◇脉冲宽度调制具有输出选择性；

　　◇可在输出对电源VBAT短路时保持输出，而对地短路时关闭输出；

1．2 内部结构组成

　　如图l所示，MC33996是一个多输出的开关控制集成电路，其内部集成有24位串行外围接口、过压检测保护电路、过热检测电路、输入缓冲器、寄存器、系统时钟、PWM、芯片选择电路、串行线性驱动器、电压调节器、门限控制电路、负载短路，开路检测电路。Mc33996是专门为汽车电子控制而设计，MCU可通过与其串行控制接口SPI对16路输出功率开关进行控制，同时还具有对所控制的负载开路，短路进行判断的功能，并可通过SPI通信将故障点上报MCU。MC33996采用SMARTMOS技术，该技术集成有CMOS逻辑、双极性／MOS模拟电路和独立的DMOS功率输出晶体管。采用这些混合技术具有非常多的好处。

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1．3 引脚功能

      MC33996采用32管脚Pb-Free封装，其管脚排列如图1所示，各引脚的功能定义如下：

　　OUTO-OUTl5：漏极开路输出脚；

　　SOPWR：串行输出驱动器的电源端

　　VPWR：蓄电池供电输入端；

　　GND：芯片接地端；

　　SCUK：内部移位寄存器的系统时钟

　　CS：片选脚：

　　SI：串行数据输入脚；

　　SO：串行数据输出脚；

　　RST：复位脚；

　　PWM：脉冲宽度调制脚；

2 基本工作原理

2 . 1 申行输入与输出控制

      通过串行输入端SI可把七个串行指令中的一个输入到MC33996，在每个系统时钟信号的下降沿，输入的SPI位将被锁存到输入移位寄存器中。输入24位信息后，移位寄存器就满了，此后，Mc33996将在CS信号的上升沿执行命令字。为了保证数据的完整性，必须注意，在SCLK时钟从高电平到低电平的转换过程中不要变换SI。

      MC33996的串行输出端可向MCU传输故障状态信息。在CS变为低电平前，串行输出脚将维持三态。当相关故障信息位为逻辑“1”时，表示系统存在故障，MC33996会把所有故障信息报告给MCU；相反地，当逻辑为“0”时，说明没有故障存在，但此时MC33996也将无故障信息报告给MCU。在CS信号的下降沿时，输出故障状态信息将从功率输出状态寄存器传到器件的串行输出移位寄存器。SCLK信号的前8位变为1可提供全部故障信息(第23位)和过压故障(第22位)，而后16位变为1则可提供16个输出的故障状态信息。

2 . 2 负载开路，短路故障的判断

      当检测到负载开路故障时，器件的输出将关闭，并将开路负载的故障报告给微处理器，再通过微处理器把相应的输人位设置为逻辑低电平，以使对应输出功能取消。负载开路故障可通过比较漏极与源极间的压降来判断，为此。每个输出端都有一个专门的比较器。每个MC33996的输出端都内嵌有一个50μA的下拉电流源。芯片上电时，下拉电流源关闭，而要让芯片具有负载开路检测功能，必须要进行专门的使能设置，一旦此功能被激活，那么，这个下拉电流源只有在芯片进人睡眠状态时才会通过SPI控制自动关闭。特别是对容性负载来说，输出开关切换时，容易引起负载开路故障的触发。为避免这样的错误信息被报告。芯片专门有一个100～450μs的故障过滤器。错误故障报告持续时间是由负载阻抗、场效应管的输出电容、漏极电阻和电源电压VPWR所决定的。在CS上升沿可触发内嵌的延迟定时器，单定时器在故障比较器检测到故障之前必须结束计时。一旦负载开路故障被解除，器件将继续正常运行。负载开路故障信息可由MCU从锁存在输出串行输出寄存器中读出。

      负载短路故障可能由任何输出直接被短接到电源或输出电流超过电流极限所致。以下三种先进的安全电路可在负载短接时提供系统保护：

      （1）使用SENSEFET方式的模拟方法和限流技术来监控器件的输出电流。

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      （2）由于输出限流，漏极与源极间的电压会增加。因此通过设定SFPD位为逻辑“0”，可使输出在450μs之后自动关闭。

       （3)器件的输出热保护另在产生特殊故障输出时才会关闭输出。冷却下来又会重新打开。此时，器件的关闭，复位将按照程序执行，直到故障消除或接到输出关闭指令。

2．3 保护功能

      (1)蓄电池输入

      VPWR用作MC33996的电源输入，为了防止过压和关闭，VPWR上的电压会一直被监视。VPWR管脚上的过压将导致MC33996关闭所有输出，直到过压消除。在返回到正常输入电压之前，通过全局关闭，复位控制寄存器可使输出按照程序设计要求来应答。VPWR脚上的过压阀值范围在27.5～35 V。如果输出驱动器过压关闭，那么，任何故障位在串行输出位上都为“1”。

      （2)欠压关闭

      SOPWR欠压也将导致所有输出关闭，并使所有寄存器复位，欠压门限在2.0～3.0V；VPWR脚的欠压导致输出关闭和复位，欠压门限为3.2—3.5v：当VPWR在5.0—3.5 v之间时，它会通过串行输出口SO将情况报告给微处理器。

      （3)输出钳位

      MC33996的每个输出端都包括一个内部电压钳位，以用于提供快速关闭和每个输出端的暂时保护。每个钳位可以独立地限制漏极电压为50v。总的能量钳位会通过电弧下拉电流倍增区积累，这样也倍加了钳位电压。

      （4)反向电压保护

      MC33996在VPWR管脚需要采取外部反向电瓶保护措施。因为所有输出都由功率场效应管组成，其内部带有一个二极管。当电瓶接反时，电流会通过二极管流向负载。在这种情况下，电子继电器将供电，灯将会打亮。因此，如果负载需要反向保护，那就必须串联一个二极管。

      （5)过熟保护

      过热检测电路是为每个独立输出而特别设计的。过热关闭主要通过控制器件内部的输出全部关闭，复位控制寄存器的操作来实现，所以，每个独立的输出在155℃～180℃期间都会自动关闭。当过热故障导致一路输出关闭时，其它输出并不受影响。MCU通过分析故障状态信息位来判断故障。当MC33996工作温度降低到关闭温度临界点以下时，器件就会重新恢复正常工作。

3 典型应用设计

3 .1 与MCU的接口及负载控制电路

      MCU通常应用于汽车电子控制领域，主要对汽车上的电磁线圈、白炽灯及LED发光二极管进行控制和故障检测。图2所示是MC33996与MCU和上述三种负载的控制接口电路，MC33996的串行口与MCU的SPI串行口相连，其中MCU的SLCK端口连接到MC33996的SLCK接口，以便向MC33996芯片提供时钟信号，MCU的CS端口连接到MC33996的CS接口，用于MCU对MC33996的片选，MCU的MISO端口连接MC33996的串行输出口SI，MCU的MOSI端口连接MC33996的串行输出口SO，MCU的PWM接口连接MC33996的PWM控制接口，以便MCU通过自己的RST接口直接对MC33996进行复位。MCU33996与被控制的负载接口电路如图2所示。MC33996具有16路输出，最多可控制16个负载，而且各路负载一旦出现开路或短路，MCU33996都可以检测到故障并通过其SPI串口将故障信息上报MCU，然后告知司机进行故障排除。而且在故障出现的同时，也会关闭让对应的输出开关，直到故障排除为止。

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3 . 2 MC33996的扩展设计

      如果负载过多，一片MC33996输出端口资源不足，也可以采用多个MC33996设备并行使用的方式，而且不用消耗MCU更多的口资源即可实现，具体的并行输入SPI接口扩展电路如图3所示。设计时，多片MC33996的SCLK、SI、SO、PWM端口应采用并联方式，只是每一片MC33996的片选信号控制端CS应分别与MCU的不同端口连接。因此不难看出，只用MCU少量的口资源就可以实现对更多的负载进行控制和故障检测。

4 结束语

      通过对MC33996的基本结构、特性、原理和应用设计分析，我们发现该芯片既具有对电磁阀、白炽LED负载的驱动控制功能，又具有对负载开路／短路的故障检测功能，这样，使用该芯片就可大大降低MCU的故障检测负担，但目前的市场中，这样功能的芯片还比较少。同时，该芯片虽说主要应用于汽车电子控制领域，但其也可以推广应用到工业控制领域。