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I2C总线应用中上拉电阻取值设计


I2C 的上拉电阻可以是 1.5K,2.2K,4.7K, 电阻的大小对时序 有一定影响,对信号的上升时间和下降时间也有影响,一般接 1.5K 或 2.2K
分类: electronic technology2012-06-02 09:49 1277 人阅读 评论(0) 收藏 举报

I2C 上拉电阻确定有一个计算公式: Rmin={Vdd(min)-

o.4V}/3mA Rmax=(T/0.874) *c, C 是 Bus capacitance Rp 最大值由总线最大容限(Cbmax)决定,Rp 最小值由 Vio 与上拉驱动电流(最大取 3mA)决定; 于是 Rpmin=5V/3mA≈1.7K(@Vio=5V)或者 2.8V/3mA≈1K(@Vio=2.8V) Rpmax 的取值:参考周公的 I2C 总线规范中文版 P33 图 39 与 P35 图 44 标准模式,100Kbps 总线的负载最大容限<=400pF;快速模式,400Kbps 总线的负载 最大容限<=200pF,根据具体使用情况、目前的器件制造工艺、PCB 的走线距离等因素以及 标准的向下兼容性,设计中以快速模式为基础,即总线负载电容<200pF,也就是传输速度 可以上到 400Kbps 是不成问题的。于是 Rpmax 可以取的范围是 1.8K~7K @ Vio=5V 对应 50pF~200pF 根据 Rpmin 与 Rpmax 的限制范围,一般取 5.1K @ Vio=5V , 负载容限的环境要求也 容易达到。在 2.8V 系统中,console 设计选 3.3K,portable/handset 等低供耗的设计选 4.7K 牺牲速度换取电池使用时间 总的来说:电源电压限制了上拉电阻的最小值 ; 负载电容(总线电容)限制了上拉 电阻的最大值 补充:在 I2c 总线可以串连 300 欧姆电阻 RS 可以用于防止 SDA 和 SCL 线的高电压 毛刺 : I2c 从设备的数量受总线电容,<=400pF 的限制 T=1us 100KHz, T=0.3us 400KHz

上拉电阻阻值的确定 由于 I2C 接口采用 Open Drain 机制, 器件本身只能输出低电平, 无法主动输出高电平, 只能通过外部上拉电阻 RP 将信号线拉至高电平。因此 I2C 总线上的上拉电阻是必须的!

RP 不宜过小,一般不低于 1KΩ 一般 IO 端口的驱动能力在 2mA~4mA 量级。 如果 RP 阻值过小, VDD 灌入端口的电 流将较大,这导致端口输出的低电平值增大(I2C 协议规定,端口输出低电平的最高允许值 为 0.4V);如果灌入端口的电流过大,还可能损坏端口。故通常上拉电阻应选取不低于 1KΩ 的电阻(当 VDD=3V 时,灌入电流不超过 3mA)。 RP 不宜过大,一般不高于 10KΩ 由于端口输出高电平是通过 RP 实现的,线上电平从低到高变化时,电源通过 RP 对 线上负载电容 CL 充电,这需要一定的时间,即上升时间。端口信号的上升时间可近似用充 电时间常数 RPCL 乘积表示。 信号线负载电容(对地)由多方面组成,包括器件引脚、PCB 信号线、连接器等。如 果信号线上挂有多个器件,负载电容也会增大。比如总线规定,对于的 400kbps 速率应用, 信号上升时间应小于 300ns;假设线上 CL 为 20PF,可计算出对应的 RP 值为 15KΩ。 如果 RC 充电时间常数过大,将使得信号上升沿变化缓慢,达不到数据传输的要求。 因此一般应用中选取的都是几 KΩ 量级的上拉电阻,比如都选取 4K7 的电阻。

小阻值的 RP 电阻增大了端口 Sink 电流,故在可能的情况下,RP 取值应稍大一点, 以减少耗电。另外,通产情况下,SDA,SCL 两条线上的上拉电阻取值是一致的,并上拉到 同一电源上。 PCB 布局布线与抗干扰设计 I2C 信号线属于低速控制线,在手机 PCB 设计时,按通常的控制 IO 对待即可,无需 做特别的保护设计,一般不用担心受到噪声源干扰。 但在一些特定的情况下,比如折叠、滑盖机型中,I2C 的两根信号线需要通过转轴或 滑轨处的 FPC,此时由于信号路径比较长,距离天线比较近,而且 Open drain 的输出级对 地阻抗大,对干扰比较敏感,因此比较容易受到 RF 信号源的干扰。在这种情况下,就应适 当注意对 I2C 信号线的保护。比如 I2C 两条信号线(SDA,SCL)等长度地平行走线,两边 加地线进行保护,避免临近层出现高速信号线等。 上拉电阻应安置在 OD 输出端附近。当 I2C 总线上主从器件(Master & Slave)两端 均为 OD 输出时,电阻放置在信号路径的中间位置。当主设备端是软件模拟时序,而从设备 是 OD 输出时,应将电阻安置在靠近从设备的位置。 I2C 协议还定义了串联在 SDA、SCL 线上电阻 Rs。该电阻的作用是,有效抑制总线 上的干扰脉冲进入从设备,提高可靠性。这个电阻的选择一般在 100~200ohm 左右。当 然,这个电阻并不是必须的,在恶劣噪声环境中,可以选用。

比如常用的 FM 接收模块或者 Capsense 触摸感应功能块, 都是通过 I2C 接口控制的。 I2C 接口信号从处理器出发,经过 PCB 上的信号路径,进入上述电路单元。I2C 信号线上 载有一定干扰, 这种干扰虽然幅度并不很大, 但还是会影响敏感的 FM 接收模块或 Capsense 触摸感应功能块。此时,可以通过在靠近 FM 模块或触摸感应模块的 I2C 信号线上串接 Rs 电阻,即可有效降低干扰的影响。此外,上拉电阻端的电源也要进行退耦处理。 软件模拟 I2C 时序

由于一般的 I2C 应用速率并不高(400kbps),使用处理器的 IO 口模拟 I2C 波形,完全 可以胜任(处理器一般担任 Master,占有 I2C 通信的控制权,无需担心随机的 I2C 通信服 务中断其他任务的执行)。 处理器分配给 I2C 任务的 IO 口,要求可以输出高低电平,还能配置为输入端口。处理 器根据总线规范以及从设备的时序要求,利用 2 条 IO 信号线,模拟 I2C 接口时序波形,进 行 I2C 通信。 处理器发送数据时,通过 IO 口输出高电平,上升时间基本与外部上来电阻阻值无关, 且比用外部上拉电阻上拉到高电平快很多。 处理器在接受数据时, 即便上拉电阻阻值选的大 一些,从设备输出数据的波形上升沿缓慢,但由于处理器使用软件采样的而非硬件采样,因 此,对数据传输的结果并不影响。也就是说,使用 IO 口模拟 I2C 时序时,上拉电阻阻值可 以适当选的大一些。 需要指出的是,使用软件模拟最多只能完成单 Master 的应用,对于多 Master 应用, 由于需要进行总线控制权的仲裁管理,使用软件模拟的方法很难完成。 I2C 总线空闲的时候,两条信号线应该维持高电平。否则,上拉电阻上会有耗电。特 别是在上电过程中,IO 线上电平也应保持在高电平状态。也就是说:当 Master 的 I2C 使用 的是 IO 软件模拟时,一定要保证该两个 IO 上电默认均为输入(或高阻)或者输出高电平, 切不可默认为输出低电平。IO 默认为输入时,可以通过外部上拉电阻将 I2C 信号线拉至高 电平。

I2C 应用中上拉电阻电源问题 在部中分应用中,还存在主从设备以及上拉电阻电源不一致的情况,比如 Camera 模 组。在很多设计方案中,Camera 模组不工作时,并不是进入 Power Down 模式,而是直接

关闭模组供电 VDDS。此时,处理器与模组相互连接的所有信号线都应该进入高阻态,否则 就会有电流漏入模组;而对于此时的 I2C 控制信号线来说,由于上拉电阻的存在,必须关 断上拉电阻电源 VDDP。如果上拉电阻使用的是系统电源 VDDM(VDDP=VDDM),无法 关闭,就会有漏电流进入模组;因此这种情况下,应该使用 VDDS 作为上拉电阻电源 (VDDP=VDDS),这样上拉电阻电源与 Slave 电源即可同时关闭,切断了漏电路径。 另外需要注意的是,在上述应用实例中选择的 IO,应该选取上电默认为输入(或高阻) 才行。


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