С большим интересом прочитал всю тему. Улыбнуло... И не только упорство топикстартера.
Странно, что никто не смог объяснить "аномальное" поведение чипа и его температурные режимы при разных Vcc. Думаю, даже по прошествии двух лет стоит вернуться к этому вопросу.
У меня сразу же возникло предположение, что в силу каких-то причин (возможно, как раз из-за того, что было подано питание 5 вольт), комплементарный выходной каскад GPIO "съехал". А такое вполне вероятно - вольтамперная характеристика "верхнего" транзистора каскада изменилась, и он перестал "ключевать", попросту говоря, перейдя в линейный режим. Как следствие, при подаче на затвор напряжения 3,3 вольта (при нормальном питании) сопротивление насыщение (скорее - "недонасыщения") этого транзистора увеличилось до единиц Ом (у исправного транзистора оно не более сотен милли Ом), и поэтому при управлении низкоомной нагрузкой на нем рассеивалась довольно большая мощность, что приводило к перегреву чипа.
При питании от 5 вольт, увеличенное напряжение на затворе позволяло транзистору открыться сильнее (Rнас становилось гораздо меньше), в результате возникал "парадокс" - чип при повышенном напряжении питания греется меньше, чем при штатном напряжении. Возможно, что "дефект" затронул и другие транзисторы порта (по входу), из-за чего чип неуверенно стал стартовать даже при отключенной нагрузке.
Не знаю, подтвердит ли топикстартер мое предположение, но я уверен, что нижний транзистор выходного каскада при этом остался цел, и реализованная впоследствии программная инверсия, вкупе с подключением нагрузки не к земле, а к шине питания, косвенно подтверждает это - каскад стал работать нормально.
Маленькая рекомендация начинающим "есп-водам" (а мо-быть и не только начинающим): нужно иметь в виду, что нагрузочная способность выходных портов цифровых чипов (любых) обычно сильно отличается по втекающим и вытекающим токам. Проще говоря, если нагрузка подключена к шине питания (а не к земле), то чипу живется гораздо легче - допустимая величина втекающего в порт тока может быть в разы больше, чем величина вытекающего тока, который возникает при подключении нагрузки к земле.
По этой причине следует любую нагрузку стараться вторым выводом всегда подключать к шине питания. Если же нагрузка низкоомная, то только через отдельный ключ.