i2c總線電路的上拉電阻選擇技巧

I2C(Inter-Intergrated Circuit)總線是微電子通信控制領(lǐng)域中常用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，具有接線少，控制方式簡(jiǎn)單，通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。

I2C總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，I2C器件連接到總線輸出級(jí)必須是集電極開路或漏極開路形式才能實(shí)現(xiàn)線“與”的邏輯功能。輸出端未接上拉電阻的時(shí)候只能輸出低電平，所示保證I2C總線正常工作輸出端必須接上拉電阻。

在I2C電路中常見的上拉電阻是1K，1.5K，2.2K，3.3K，4.7K，5.1K，10K等等，但選哪一個(gè)阻值更合適？

圖1 I2C總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)

I2C規(guī)范將低于VIL或低于0.3VDD的電壓定義為邏輯低電平，同樣將高于VIH或高于0.7VDD的電壓定義為邏輯高電平，如圖2所示。

圖2 指定為邏輯高電平和邏輯低電平的電壓電平

電源電壓限制了可允許總線拉低的最小上拉電阻值，過強(qiáng)的上拉會(huì)阻止器件充分拉低拉線的電平，導(dǎo)致無(wú)法確保邏輯低電平能被檢測(cè)到。在輸出級(jí)V_OLmax=0.4V 時(shí)指定I_OL為3mA，允許總線電壓拉低的最小上拉電阻公式：

V_DD與Rp的函數(shù)關(guān)系分別如圖3所示。

圖3 Rp的最小值是電壓的函數(shù)

由于端口的輸出的高電平是通過上拉電阻實(shí)現(xiàn)，線上的電平從低變到高時(shí)，電源通過上拉電阻對(duì)線上負(fù)載電容CL充電，這需要一定的時(shí)間，即上升時(shí)間，上拉電阻的最大值由總線容限負(fù)載決定，總線負(fù)載圖如圖4所示。

圖4 總線負(fù)載結(jié)構(gòu)圖

總線電容主要由引腳、連接、PCB走線和導(dǎo)線等因素引起，總線電容與上拉電阻R具有一個(gè)RC時(shí)間常數(shù)，隨著I2C通信速率的增加，該常數(shù)變得越發(fā)重要。通過電阻對(duì)電容進(jìn)行充電的一般公式：

重新排列，

之后我們可計(jì)算電壓上升至VIL的時(shí)間T1、上升至VHL的時(shí)間T2以及精確計(jì)算兩個(gè)電平之間的時(shí)間TR，如圖5所示。由于VIL與VHL都是有V_DD產(chǎn)生，因此該公式與電源電壓無(wú)關(guān)，V_DD項(xiàng)已抵消。

圖5 總線電平上升時(shí)間

求解，

在I2C標(biāo)準(zhǔn)模式下，100Kbps總線的負(fù)載最大容限小于等于400pF；快速模式，400Kbps總線的負(fù)載最大容限小于等于200pF，快速模式下I2C總線上升時(shí)間更快，總線上拉電阻要比標(biāo)準(zhǔn)模式小，設(shè)計(jì)時(shí)以快速模式50Pf~200pF為參考，由上面（6）式得最大Rp值與總線電容的關(guān)系如圖6所示。

圖6 符合快速模式I2C總線TRmax要求的Rp最大值是總線電容的函數(shù)

由上面的計(jì)算可得出上拉電阻RP可以取的范圍是1.53K~7K @VDD = 5V，一般取5.1K ，綜合到3.3V VDD低功耗設(shè)計(jì)中，通常選用4.7K犧牲速度換取電池使用時(shí)間，此阻值也是常規(guī)阻值。

關(guān)于I2C的上拉電阻，最好的方式是看官方給出的參考設(shè)計(jì)，如果走線長(zhǎng)了或總線上有多從機(jī)，就相應(yīng)把電阻改小一些，如若參考設(shè)計(jì)沒有就在計(jì)算范圍內(nèi)選用一個(gè)常規(guī)阻值。實(shí)際的時(shí)候我們沒有去測(cè)量總線電容的問題，只能在選件、走線的時(shí)候給予些許關(guān)注。