上拉電阻取值問題的探討

　　漏極開路上拉電阻取值為何不能很大或很小?

　　如果上拉電阻值過小，Vcc灌入端口的電流(Ic)將較大，這樣會導(dǎo)致MOS管V2(三極管)不完全導(dǎo)通(Ib*β

　　，有飽和狀態(tài)變成放大狀態(tài)，這樣端口輸出的低電平值增大(i2c協(xié)議規(guī)定，端口輸出低電平的最高允許值為0.4v)。

　　如果上拉電阻過大，加上線上的總線電容，由于RC影響，會帶來上升時(shí)間的增大(下降延是芯片內(nèi)的晶體管，是有源驅(qū)動(dòng)，速度較快;上升延是無源的外接電阻，速度慢)，而且上拉電阻過大，即引起輸出阻抗的增大，當(dāng)輸出阻抗和負(fù)載的阻抗可以比擬的時(shí)，則輸出的高電平會分壓而減少。

　　I2C的上拉電阻可以是1.5K，2.2K，4.7K， 電阻的大小對時(shí)序有一定影響，對信號的上升時(shí)間和下降時(shí)間也有影響，一般接1.5K或2.2K。

　　(實(shí)驗(yàn)：接入200K上拉電阻，結(jié)果觀察到信號上升時(shí)間增大，方波變成三角波)

　　I2C上拉電阻確定有一個(gè)計(jì)算公式：

　　Rmin={Vdd(min)-o.4V}/3mA

　　Rmax=(T/0.874) *c, T=1us 100KHz, T=0.3us 400KHz

　　C是Bus capacitanceRp最大值由總線最大容限(Cbmax)決定,Rp最小值由Vio與上拉驅(qū)動(dòng)電流(最大取3mA)決定;于是 Rpmin=5V/3mA≈1.7K(@Vio=5V)或者2.8V/3mA≈1K(@Vio=2.8V)。

　　Rpmax的取值：100Kbps總線的負(fù)載最大容限<=400pF;快速模式，400Kbps總線的負(fù)載最大容限<=200pF,根據(jù)具體使用情況、目前的器件制造工藝、PCB的走線距離等因素以及標(biāo)準(zhǔn)的向下兼容性，設(shè)計(jì)中以快速模式為基礎(chǔ)，即總線負(fù)載電容<200pF，也就是傳輸速度可以上到400Kbps是不成問題的。于是Rpmax可以取的范圍是1.8K~7K @ Vio=5V對應(yīng)50pF~200pF根據(jù)Rpmin與Rpmax的限制范圍，一般取5.1K @ Vio=5V , 負(fù)載容限的環(huán)境要求也容易達(dá)到。在2.8V系統(tǒng)中，console設(shè)計(jì)選3.3K,portable/handset等低供耗的設(shè)計(jì)選4.7K犧牲速度換取電池使用時(shí)間。

　　總的來說：電源電壓限制了上拉電阻的最小值 ; 負(fù)載電容(總線電容)限制了上拉電阻的最大值。

　　補(bǔ)充：在I2c總線可以串連300歐姆電阻RS可以用于防止SDA和SCL線的高電壓毛刺: I2c從設(shè)備的數(shù)量受總線電容,<=400pF的限制。

　　上拉電阻阻值的確定

　　由于I2C接口采用OpenDrain機(jī)制，器件本身只能輸出低電平，無法主動(dòng)輸出高電平，只能通過外部上拉電阻RP將信號線拉至高電平。因此I2C總線上的上拉電阻是必須的!

　　RP不宜過小，一般不低于1KΩ

　　一般IO 端口的驅(qū)動(dòng)能力在2mA～4mA量級。如果RP阻值過小，VDD灌入端口的電流將較大，這樣會導(dǎo)致MOS管不完全導(dǎo)通，有飽和狀態(tài)變成放大狀態(tài)，這樣端口輸出的低電平值增大(I2C協(xié)議規(guī)定，端口輸出低電平的最高允許值為0.4V);如果灌入端口的電流過大，還可能損壞端口。故通常上拉電阻應(yīng)選取不低于1KΩ的電阻(當(dāng)VDD=3V時(shí)，灌入電流不超過3mA)。

　　RP不宜過大，一般不高于10KΩ

　　由于端口輸出高電平是通過RP實(shí)現(xiàn)的，線上電平從低到高變化時(shí)，電源通過RP對線上負(fù)載電容CL充電，這需要一定的時(shí)間，即上升時(shí)間。端口信號的上升時(shí)間可近似用充電時(shí)間常數(shù)RPCL乘積表示。

　　信號線負(fù)載電容(對地)由多方面組成，包括器件引腳、PCB信號線、連接器等。如果信號線上掛有多個(gè)器件，負(fù)載電容也會增大。比如總線規(guī)定，對于的400kbps速率應(yīng)用，信號上升時(shí)間應(yīng)小于300ns;假設(shè)線上CL為20PF，可計(jì)算出對應(yīng)的RP值為15KΩ。

　　如果RC充電時(shí)間常數(shù)過大，將使得信號上升沿變化緩慢，達(dá)不到數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。因此一般?yīng)用中選取的都是幾KΩ量級的上拉電阻，比如都選取4K7的電阻。小阻值的RP電阻增大了端口Sink電流，故在可能的情況下，RP取值應(yīng)稍大一點(diǎn)，以減少耗電。另外，通產(chǎn)情況下，SDA,SCL兩條線上的上拉電阻取值是一致的，并上拉到同一電源上。

　　PCB布局布線與抗干擾設(shè)計(jì)

　　I2C信號線屬于低速控制線，在手機(jī)PCB設(shè)計(jì)時(shí)，按通常的控制IO對待即可，無需做特別的保護(hù)設(shè)計(jì)，一般不用擔(dān)心受到噪聲源干擾。

　　但在一些特定的情況下，比如折疊、滑蓋機(jī)型中，I2C的兩根信號線需要通過轉(zhuǎn)軸或滑軌處的FPC，此時(shí)由于信號路徑比較長，距離天線比較近，而且Opendrain的輸出級對地阻抗大，對干擾比較敏感，因此比較容易受到RF信號源的干擾。在這種情況下，就應(yīng)適當(dāng)注意對I2C信號線的保護(hù)。比如I2C兩條信號線(SDA,SCL)等長度地平行走線，兩邊加地線進(jìn)行保護(hù)，避免臨近層出現(xiàn)高速信號線等。

　　上拉電阻應(yīng)安置在OD輸出端附近。當(dāng)I2C總線上主從器件(Master &

　　Slave)兩端均為OD輸出時(shí)，電阻放置在信號路徑的中間位置。當(dāng)主設(shè)備端是軟件模擬時(shí)序，而從設(shè)備是OD輸出時(shí)，應(yīng)將電阻安置在靠近從設(shè)備的位置。

　　I2C協(xié)議還定義了串聯(lián)在SDA、SCL線上電阻Rs。該電阻的作用是，有效抑制總線上的干擾脈沖進(jìn)入從設(shè)備，提高可靠性。這個(gè)電阻的選擇一般在100～200ohm左右。當(dāng)然,這個(gè)電阻并不是必須的，在惡劣噪聲環(huán)境中，可以選用。

　　比如常用的FM

　　接收模塊或者Capsense觸摸感應(yīng)功能塊，都是通過I2C接口控制的。I2C接口信號從處理器出發(fā)，經(jīng)過PCB上的信號路徑，進(jìn)入上述電路單元。I2C信號線上載有一定干擾，這種干擾雖然幅度并不很大，但還是會影響敏感的FM接收模塊或Capsense觸摸感應(yīng)功能塊。此時(shí)，可以通過在靠近FM模塊或觸摸感應(yīng)模塊的I2C信號線上串接Rs電阻，即可有效降低干擾的影響。此外，上拉電阻端的電源也要進(jìn)行退耦處理。

　　軟件模擬I2C時(shí)序

　　由于一般的I2C應(yīng)用速率并不高(400kbps)，使用處理器的IO口模擬I2C波形,完全可以勝任(處理器一般擔(dān)任Master，占有I2C通信的控制權(quán)，無需擔(dān)心隨機(jī)的I2C通信服務(wù)中斷其他任務(wù)的執(zhí)行)。

　　處理器分配給I2C任務(wù)的IO口，要求可以輸出高低電平，還能配置為輸入端口。處理器根據(jù)總線規(guī)范以及從設(shè)備的時(shí)序要求，利用2條IO信號線，模擬I2C接口時(shí)序波形，進(jìn)行I2C通信。

　　處理器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過IO口輸出高電平，上升時(shí)間基本與外部上來電阻阻值無關(guān)，且比用外部上拉電阻上拉到高電平快很多。處理器在接受數(shù)據(jù)時(shí)，即便上拉電阻阻值選的大一些，從設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的波形上升沿緩慢，但由于處理器使用軟件采樣的而非硬件采樣，因此，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果并不影響。也就是說，使用IO口模擬I2C時(shí)序時(shí)，上拉電阻阻值可以適當(dāng)選的大一些。

　　需要指出的是，使用軟件模擬最多只能完成單Master的應(yīng)用，對于多Master應(yīng)用，由于需要進(jìn)行總線控制權(quán)的仲裁管理，使用軟件模擬的方法很難完成。

　　I2C總線空閑的時(shí)候，兩條信號線應(yīng)該維持高電平。否則，上拉電阻上會有耗電。特別是在上電過程中，IO線上電平也應(yīng)保持在高電平狀態(tài)。也就是說：當(dāng)Master的I2C使用的是IO軟件模擬時(shí)，一定要保證該兩個(gè)IO上電默認(rèn)均為輸入(或高阻)或者輸出高電平，切不可默認(rèn)為輸出低電平。IO默認(rèn)為輸入時(shí)，可以通過外部上拉電阻將I2C信號線拉至高電平。

　　I2C應(yīng)用中上拉電阻電源問題

　　在部中分應(yīng)用中，還存在主從設(shè)備以及上拉電阻電源不一致的情況，比如Camera模組。在很多設(shè)計(jì)方案中，Camera模組不工作時(shí)，并不是進(jìn)入PowerDown模式，而是直接關(guān)閉模組供電VDDS。此時(shí)，處理器與模組相互連接的所有信號線都應(yīng)該進(jìn)入高阻態(tài)，否則就會有電流漏入模組;而對于此時(shí)的I2C控制信號線來說，由于上拉電阻的存在，必須關(guān)斷上拉電阻電源VDDP。如果上拉電阻使用的是系統(tǒng)電源VDDM(VDDP=VDDM)，無法關(guān)閉，就會有漏電流進(jìn)入模組;因此這種情況下，應(yīng)該使用VDDS作為上拉電阻電源(VDDP=VDDS)，這樣上拉電阻電源與Slave電源即可同時(shí)關(guān)閉,切斷了漏電路徑。

　　另外需要注意的是，在上述應(yīng)用實(shí)例中選擇的IO，應(yīng)該選取上電默認(rèn)為輸入(或高阻)才行。