具有单片机串行接口的汽车电子驱动器

    摘要：MC33298是Motorola公司推出的新型汽车电子驱动器，它具有8路输出，可由8位串行控制。MC33298所具有的独特的串行外设接口（SPI）可以使其和各种单片机直接相连以控制不同的负载。文中介绍了MC33298的特点、功能和工作原理，并给出了它的几种典型的接口应用电路。

    关键词：驱动器 串行接口 单片机 MC22298

1 概述

MC33298是一种较为新颖的汽车驱动器，它具有8路输出的低边功率开关，由8位串行控制。MC33298采用新型集成工艺，内含集成CMOS逻辑、双极性MOS模拟电路和DMOS功率场效应管等多种电路。由于该芯片具有串行外设接口（SPI），所以能和多种单片机直接相连，以控制不同的感性或白炽灯负载。

以极性MOS模拟电路被嵌入DMOS输出晶体管的漏极中，能对每路输出进行监视并提供快速、独立的保护功能。而且所有的输出都具有0.5A/65V嵌位电压，以提供快速感性截止和瞬态保护。

MC33298使用高效的上漏极功率DMOS输出晶体管，其漏-源导通电阻较小，一般RDS（on）≤0.45Ω，可方便地达到控制逻辑输出电路的目的。

MC33298除可用于汽车驱动器外，还可用在计算机、通信和工业控制等方面，因而它是一种多用途的芯片。由于它用逻辑电平的MOS场效应晶体管作为输出器件，并可在小栅压下（5.0V）导通，所以不需要内部电荷泵。

所有的输入均与5.0V CMOS逻辑电平兼容。并具有负极性和反向逻辑功能。当输入编程电压为低电平（<1.0V）时，相应受控的低边开关导通（低电平有效）；当输入编程电压为高电平（>3.0V）时，则相应受控的低边开关截止（高电平有效）。

2 芯片简介

2.1 主要特点

MC33298汽车电子驱动器具有如下主要特点：

●具有与单片机串行接口兼容的SPI；

●SPI通信可用来控制驱动器和故障检测；

●具有8路输出驱动器；

●8位串行I/O电平与CMOS电平兼容；

●工作电压宽：5.5V～26.5V；

●具有多种保护功能：

负载开路输出；

过压检测和关断处理；

过热检测和关断处理；

短路检测和关断处理。

●在驱动白炽灯负载时，输出电流被限制在3.0A～6.0A；

●当VDD=2.0V时，最大睡眠电流（IPWR）为50μA；

●最大电源电流IDD为4.0mA；

●对于感性负载，输出钳位电压为65V；

●串行工作频率为2.0MHz；

●开关管峰值输出电流（25℃）为3.0A时，最大接通电阻RDS（on）为0.45Ω；

●在所有输出均为接通状态时，最大IPWR为2.0mA。

2.2 引脚功能

MC33298具有DIP（20引脚）和SOP（24引脚）两种封装形式，其引脚功能如表1所列。

表1 引脚功能

引  脚		符号	功 能 说 明
DIP	SOP
1	1	OUTPUT7	输出7引脚
2	2	OUTPUT6	输出6引脚
3	3	SCLK	时钟输入引脚。它能控制MC33298片内移位寄存器的时序
4	4	SI	串行指令数据输入引脚。它的电平高低能决定输出通断。当SI为高电平时，关掉编程输出；当SI为低电平时，接通编程输出
5	5	Ground	地线引脚
6	6	Ground	地线引脚
-	7	Ground	地线引脚
-	8	Ground	地线引脚
7	9	SO	串行数据输出引脚，也是MC33298片内移位寄存器拓态输出，它的电平状态能决定输出通断。在高电平时，输出断开；低电平时，输出接通
8	10	SCB	通信选择输入引脚。当CSB为低平时，单片机向MC33298传送数据；当CSB为高电平时，MC33298向单片机传送数据
9	11	Output 5	输出5引脚
10	12	Output4	输出4引脚
11	13	Output3	输出3引脚
12	14	Output2	输出2引脚
13	15	SFPD	短路故障保护禁止（Short Fault Protected Disable）引脚
14	16	VDD	逻辑电源输入引脚。通常为4.75～5.25V
15	17	Ground	地线引脚
16	18	Ground	地线引脚
-	19	Ground	地线引脚
-	20	Ground	地线引脚
17	21	VPWR	电源输入引脚。通常为5.5V～26.5V
18	22	RESET	复位引脚。低电平有效
19	23	Output 1	输出1引脚
20	24	Output 0	输出0引脚

3 工作原理

MC33298的内部电路框图如图1所示，它由串行数据输出线驱动器、SPI接口逻辑电路、稳压器、故障定时器、多保护电路等组成。

3.1 串行外设接口（SPI）

SPI是MC33298的重要特点之一，它能与许多标准外设和单片机直接通信。在通信过程中，SPI不仅能减少MC33298输入/输出（I/O）所需的引脚数量，而且还能为单片机提供一种用少量引脚外扩I/O的有效方法。利用SPI传送数据时，单片机先发送后接收，数据位同时由单片机的MOSI引脚（单片机输出串行输入）发送并由MISO引脚（单征机输入串行输出）接收。发送和接收主要决定于通信选择引脚CSB的逻辑电平。当CSB为低电平时，单片机向MC33298传送数据（即单片机发送数据）；当CSB为高电平时，MC33298向单片机传送数据（即单片机接收数据）。CSB引脚的逻辑电平也能用于控制SO的输出驱动器，当该引脚为低电平时，启动SO的输出驱动器，并允许把数据从MC33298向单片机传送。为了避免假数据，在CSB引脚上的数据由高到低的数据转换仅在SCLK低电平时才发生。当串行指令数据输入到SI引脚并使SI为高电平时，关掉编程输出；而当SI为低电平时，接通编程输出。为了对MC33298中8个输出的导通或关断进行编程，需要8位串行数据输入到SI引脚，以启动输出7、输出6、……输出0。对于每个SCLK的上升沿，在CSB为低电平时，一个数据位指令（通或断）被送入移位寄存器，当8位装完后，移位寄存器就宣布已经满了。为了确保信息数据的完整性，当时钟SCLK从低到高变化时，SI电平必须保持不变。

在数据传送过程中，应遵照先入先出的原则，即输入输出字的传送应以最高位（MSB）在先的原则。数据传输的时序图如图2所示。

3.2 保持电路

具有多种保护电路是MC33298的另一个重要特点，它能使芯片和有关系统免遭损失，以进一步提高它的适应能力。MC33298具有过压、欠压、过热、过汉、短路、负载开路等保持功能，现对其中的负载开路保护电路作些分析。

当相应输出被禁止时MC33298能够检测或显示出“输出断路，负载开路”故障。它是通过芯片仙MOSFET的漏极电压与内部产生的基准电压相比较来进行检测的，每个输出均有一个用于检测的专用比较器。

当输出电压小于（0.6V～0.8V）VDD的输出门限电压Vthres时，芯片限可检测出输出断开或负载开路故障。由于MC33298的输出可作为开关使用，所以在正常工作时，每个MOSFET输出均应完全导通或截止。

由于MOSFET的漏-源导通电压VDS小于门限电压，而MOSFET漏-源截止电压大于门限电压。因此，在电路设计时，门限电压应选择在MOSFET的导通电压和截止电压之间。

4 应用电路

由于MC33298具有多种独特的性能，所以在各种领域中得到广泛的应用，以下介绍几种典型的应用电路。

4.1 汽车电子驱动电路

由MC33298组成的汽车电子驱动电路如图3所示，从图中可以看出，该电路是与单片机总线直接相连的，是最简单的接口电路。另外，驱动负载可以是同一性质也可以是不同性质。电路中需要三级电源来供电，分别是数字电源VDD、芯片电源VPWR和Vbat。

4.2 SPI与单片机的接口电路

MC33298与单片机的接口电路如图4所示，这是在汽车驱动器中常见的接口电路，图中，单片机的控制线与MC33298的相应线直接相连。在使用中，MC33298作为单片机的扩展器和缓冲器使用，并具有故障管理和故障报警功能。它在2.0MHz的串行时钟频率下可进行各种控制和诊断故障，从而保证芯片和系统的正常运行。

多路驱动和输出外扩的原理电路如图5所示。这是一种利用一块单片机控制多个驱动器的接口电路，图中的多个芯片被连成进行键形式，从而形式了一个大系统，该系统可控制32路负载。

SPI也可并行输入，此时可利用单片机的并行口进行片选，具体电路如图6所示，采用该电路能控制24的路负载。

在实际应用中，也可以使用主从单片机进行通信，以控制多个芯片，其实际电路如图7所示。在这个系统中的任何时间里，主单片机只能有一个，而从单片机可以有一个或多个。需要说明的是：只有当主单片机不通信时，从单片机才能进行能信。