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I2C 总线上拉电阻计算

I2C接口的上拉电阻计算是一个常见问题。本文介绍如何使用简单的方程式进行计算。

1 介绍

I2C通信标准是当今电子系统中应用最广泛的芯片间通信标准。它是一种漏极开路/集电极开路通信标准，这意味着可以连接具有不同电源轨的集成电路（IC）进行通信。上拉电阻需要从I2C线路连接到电源，以实现通信，如图1所示。上拉电阻器在漏极开路接口未将线路驱动至低电平时将线路拉高。上拉电阻的值是 I2C 系统的重要设计考虑因素，因为不正确的值会导致信号丢失。在本文中，我们将介绍上拉电阻计算的简单方程，系统设计人员可以使用这些方程对他们的设计进行快速计算。
不同IC之间以及I2C总线上拉电阻器之间的I2C通信

图 1.应用示例显示系统上不同IC之间以及I2C总线上拉电阻器之间的I2C通信

2 上拉电阻计算

强上拉（小电阻）可防止 IC 上的 I2C 引脚驱动至低电平。IC的输入缓冲器可读取为有效逻辑低电平的VOL电平决定了最小上拉电阻[RP（min）]。RP（min）是 VCC、VOL （max）和 IOL 的函数：

RP(min)=(VCC-VOL(max))/IOL

由于 I2C 标准上升时间规格，最大上拉电阻受总线电容（Cb）的限制。如果上拉电阻值过高，则 I2C 线在被拉低之前可能不会上升到逻辑高电平。从时间 t = 0 开始，RC 电路对幅度为 VCC 的电压阶跃的响应由时间常数 RC 表征。电压波形可以写成：

在这里插入图片描述

对于 VIH = 0.7 × VCC：
在这里插入图片描述

对于 VIL = 0.3 × VCC：
在这里插入图片描述

I2C 总线的上升时间可以写成：

tr = t2-t1 = 0.8473×Rp×Cb

最大上拉电阻是最大上升时间（tr）的函数：

Rp(max) = tr (0.8473xCb)

其中 I2C 规范的参数列在表 1 中。

表 1.来自 I2C 规范的参数

	参数	标准模式（Max）	快速模式（Max）	快速模式增强（Max）	单位
tr	SDA 和 SCL 信号的上升时间	1000	300	120	ns
cb	每条总线的容性负载	400	400	550	pF
Vol	低电平输出电压（3 mA电流吸收时，VCC > 2 V）	0.4	0.4	0.4	V
	低电平输出电压（2 mA电流吸收时，VCC ≤ 2 V）	–	0.2 × VCC	0.2 × VCC	V

RP （min）在图 2 中绘制为 VCC 的函数。在图3中，标准模式和快速模式I2C的RP （max）绘制为Cb的函数。

最小上拉电阻 [RP （min）] 与上拉基准电压（VCC）的关系

VoL = 0.2 xVcc,loL = 2 mA when Vcc <= 2 V VoL = 0.4 V,loL = 3 mA when Vcc > 2V 图2.最小上拉电阻 [RP （min）] 与上拉基准电压（VCC）的关系

最大上拉电阻 [RP （max）] 与总线电容 (Cb）的关系

Standard-mode (fscL= 100 kHz, tr = 1 us) Fast-mode (fscL= 400 KHz, tr= 300 ns) 图3.最大上拉电阻 [RP （max）] 与总线电容 (Cb）的关系

3 速度与功耗的权衡

一旦选择了上拉电阻的最小值和最大值，就可以根据速度和功率预算之间的权衡来决定电阻值。由于RC延迟较小，较小的电阻器将提供更高的速度，而较大的电阻器将提供更低的功耗。

4 示例

对于具有以下参数的快速模式 I2C 通信，计算上拉电阻值。
Cb = 200 pF，VCC = 3.3 V
解：
取表 1 中的值：

I2C 通信上拉电阻计算:

因此，我们可以在966.667 Ω和1.77 kΩ之间选择任何可用的电阻值。上拉电阻的值可以根据功耗和速度的权衡来选择。

I2C总线上拉电阻计算