如何確定上拉的大??？I2C總線如何實(shí)現(xiàn)雙向通信

內(nèi)部集成電路總線（I2C）是一種同步串行數(shù)據(jù)通信總線，是一種極為常見的協(xié)議，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。這種在每一個(gè)工程師的設(shè)計(jì)中幾乎都可能遇到的總線技術(shù)，卻總是可能因?yàn)楦鞣N不經(jīng)意的問題為大家的設(shè)計(jì)帶來不大不小的挑戰(zhàn)。比如，一般器件都提供開漏輸出，表示它們只能稍微下拉，這在實(shí)現(xiàn)雙向通信的同時(shí)也意味著需要上拉才能在總線上實(shí)現(xiàn)高電平狀態(tài)。如何確定上拉的大??？這是設(shè)計(jì)人員常常會(huì)提出的一個(gè)問題。

在網(wǎng)上找到許多相關(guān)資料，但是最后發(fā)現(xiàn)，需要滿足的所有電氣規(guī)格都已在如下的表中列出。在確定應(yīng)用計(jì)劃的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行之后，查看規(guī)格表找到所需的上升時(shí)間即可。如果不知道總線的電容，可以估測一個(gè)值，例如每個(gè)器件30微微法拉，然后據(jù)此實(shí)施調(diào)節(jié)。但是上拉電流和總線上的總電容都存在限值，所以在設(shè)置電路之后，都會(huì)使用I2C包進(jìn)行通信。每一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的硬件設(shè)計(jì)工程師大概還能提出曾經(jīng)遇到過的很多類似問題，這里不妨以幾個(gè)工程師共性的問題提出來給出設(shè)計(jì)建議。

使用I2C包進(jìn)行通信，如何降低功耗？

如果更詳細(xì)地考慮I2C信號(hào)，一般會(huì)使用上拉電阻來獲得高電平信號(hào)，可為上升沿選擇電阻。但是，當(dāng)信號(hào)處于低電平時(shí)，上拉電阻只是在消耗功率，那么如何降低這種功耗呢？

ADUM1250是ADI公司的一款I(lǐng)2C電氣隔離器，這里來比較一下ADUM1250的發(fā)射端和上拉電阻，然后再與添加到電路中的LTC4311上升時(shí)間加速度計(jì)比較。如下圖所示，將電路中的器件電源和總線電源分開，用不同電源供電就能夠看出電源消耗在哪些地方。

下表是測試結(jié)果。有2K歐上拉電阻，上升時(shí)間表現(xiàn)不錯(cuò)，但是有2.6毫安電流流過上拉電阻。如何節(jié)省功耗？根據(jù)功率預(yù)算，將上拉電阻調(diào)整為10 K，但是這樣的話，上升時(shí)間又會(huì)出現(xiàn)問題。可以假設(shè)已知RC，但是需要設(shè)定功率預(yù)算。所以，對上升時(shí)間加速。當(dāng)RTA發(fā)現(xiàn)電壓閾值中有上升沿且壓擺率最低時(shí)，會(huì)注入電流，加快上升時(shí)間，但不會(huì)大幅上拉。這里需要注意的是，上升時(shí)間時(shí)在需要的范圍內(nèi)。

再來看看RTA消耗多少電流。LTC4311與上拉電阻連接至同一電源，可以看到，消耗的電流比2K上拉時(shí)低得多。真正有利的是，RTA在剩余的波形內(nèi)都保持閑置。LTC4311僅消耗約25微安電流，所以能夠使用更弱一些的上拉電阻，但仍然讓上升時(shí)間滿足所需的I2C規(guī)格。這使得LTC4311成為一種非常有趣的器件，能夠添加至移動(dòng)應(yīng)用或電池供電的應(yīng)用中。

除此以外，還能給RTA電路帶來另一項(xiàng)優(yōu)勢。要求開漏裝置同步的電流越多，總線上的低電平越高，這是因?yàn)殚_漏兩端存在壓降。所以，當(dāng)?shù)碗娖缴?，噪聲裕量?huì)越低。因此，RTA電路有助于降低開漏輸出兩端的壓降，并保持低電平。在電源電壓很低時(shí)，這尤其有用。LTC4311可以支持最低1.8V總線電線，所以上述電路中的RTA有助于滿足所需的上升時(shí)間，后者會(huì)消耗電源，使VOL保持低電平。

LTC4311是一款雙通道I2C有源上拉加速器，專為在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過400pF I2C規(guī)格限值的總線負(fù)載條件下提升數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性而設(shè)計(jì)。多個(gè)器件連接到同一總線的系統(tǒng)可能呈現(xiàn)遠(yuǎn)高于400pF I2C性能規(guī)格的大總線電容。容性加載引起較慢的上升時(shí)間，這可能影響數(shù)據(jù)可靠性并指定總線的實(shí)際最高速度。通過在總線上升躍變時(shí)采用升高的上拉電流，同時(shí)在下降躍變和邏輯低與邏輯高時(shí)禁止電流源以改善低態(tài)噪聲容限，LTC4311減輕了這些問題。

總線緩沖器，解決不中斷加入有源I2C總線等問題

下圖這個(gè)系統(tǒng)具有背板，可能是服務(wù)器或者其他，上面插有很多卡。對于低速通信，I2C非常適用于與這些卡通信。但對于采用這種結(jié)構(gòu)的總線需要調(diào)節(jié)上拉電阻，以獲得固定電容。 如果沒有固定數(shù)量的卡會(huì)怎樣？或者，如果拔出一張卡，然后使用具有不同電氣特性的卡進(jìn)行替代，又會(huì)怎樣？可以通過設(shè)計(jì)來分配一些上拉電阻，但是在可以同步多少電流量方面，仍然存在限制。所以，可以估測每個(gè)器件給總線增加30微微法拉。如果在卡終端添加連接器，那么背板或卡上的線路會(huì)很長，電容預(yù)算很快就會(huì)用完，所以建議在卡終端添加總線緩沖器，這些總線緩沖器會(huì)將電容隔離到各個(gè)分段。

如果在應(yīng)用中，卡是在I2C總線處于激活狀態(tài)時(shí)插入，那么應(yīng)該以適當(dāng)?shù)姆绞讲迦?。所以基本上，我們希望盡可能減少造成數(shù)據(jù)混亂或數(shù)據(jù)丟失，甚至導(dǎo)致總線鎖定的機(jī)率。許多總線緩沖器都有一個(gè)預(yù)充電功能。所以在總線連接之前，它可以讓總線引腳的電壓升高到約1V，相當(dāng)于200Ω的串聯(lián)電阻。此舉的作用是，在新總線分段進(jìn)行機(jī)械接觸時(shí)，1V預(yù)充電會(huì)盡量減少對信號(hào)的干擾。

此外，如果不希望在總線緩沖器或總線分段未上電時(shí)，產(chǎn)生電氣干擾，也不想給總線電壓軌饋電?？偩€緩沖器可以解決這些問題。I2C總線緩沖器的輸出級(jí)是末端通道開漏下拉電阻，它們的柵極接地，直到滿足一系列啟動(dòng)條件。所以在上電時(shí)不允許電壓反饋，且緩沖器遠(yuǎn)端的電容從不可見。

總線緩沖器是一種常見的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，LTC4330是ADI總線緩沖器系列中的最新產(chǎn)品，它會(huì)隔離總線電容，采用RTA，會(huì)斷開和恢復(fù)卡塞總線，進(jìn)行預(yù)充電，但仍然采用3x3毫米封裝。該產(chǎn)品的運(yùn)行溫度最高可以達(dá)到125℃，余下的總線緩沖器的最高運(yùn)行溫度為85℃。其他總線緩沖器支持400KHz，LTC4330最高支持1MHz總線，還為第三個(gè)通道提供雙向支持，所以這對于PM總線通信非常有用。

另外，總線緩沖器具有VOL偏移。但LTC4330沒有采用VOL偏移，其兩端都是固定的VOL電平。所以，如果應(yīng)用以串行方式使用緩沖器，LTC4330的表現(xiàn)會(huì)很出色，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師無需擔(dān)心VOL偏移累計(jì)問題。此外，LTC4330還提供極為可靠的系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)，這是一個(gè)非常有用的功能，尤其當(dāng)緩沖器位于卡終端上時(shí)，不僅可以讓總線緩沖器實(shí)施邏輯電平轉(zhuǎn)換，還可以實(shí)施接地電平轉(zhuǎn)換。

LTC4330雖然不是電氣隔離器，但是可以用在只需偏移基準(zhǔn)電壓源電平的應(yīng)用中。有時(shí)候，隔離器會(huì)起到這個(gè)作用。就像48V系統(tǒng)一樣，它可以偏移基準(zhǔn)電壓源電平，并在兩端之間通信，而且，如果這些接地相對于彼此移動(dòng)，那么LTC4330也具備非常出色的CMCI性能。

±150V I2C總線緩沖器的典型應(yīng)用：-48V基準(zhǔn)電壓源電平偏移，并提供第三個(gè)通道支持

如何控制I2C上的流量？

總線緩沖多路復(fù)用器不僅可以將總線電容隔離到各個(gè)分段，如果需要還能以不同的電壓電平操作總線分段。對于要求I2C總線扇出且ATI的I2C總線緩沖器盒包含2個(gè)和4個(gè)通道的應(yīng)用，它們表現(xiàn)會(huì)十分出色。另一個(gè)有用的功能是，有時(shí)I2C器件采用固定的硬連接地址，但是需要更多這種器件時(shí)，數(shù)量超過可用地址的數(shù)量，這時(shí)可以使用多路復(fù)用器來獲取冗余地址，這意味著，設(shè)計(jì)師可以控制信息發(fā)送到總線的哪個(gè)分段?？梢圆捎貌煌姆椒▉砜刂艻2C流量，例如LTC4305和LTC4306，或者用具有控制線路的其他器件，例如LTC4312和LTC4314，利用多路復(fù)用器和控制線路，它們可以實(shí)施轉(zhuǎn)換。

使用多路復(fù)用器來控制I2C上的流量，使用總線緩沖器也可以實(shí)現(xiàn)同樣的效果。但是通過使用地址轉(zhuǎn)換器，無需花費(fèi)成本來開關(guān)流量，也無需使用控制引腳或任何額外的I2C命令。或者使用LTC4316之類的器件來修改7位地址通信。所以，當(dāng)使用采用復(fù)用地址的從機(jī)時(shí)，從主機(jī)角度它們是唯一的。

總結(jié)

ADI公司的I2C解決方案系列支持熱插拔、雙線式雙向總線緩沖器，可將I/O卡插入帶電背板中，而不會(huì)損壞數(shù)據(jù)和時(shí)鐘總線。I2C加速度計(jì)可改善總線轉(zhuǎn)換特性，支持多個(gè)器件連接或更長、更多容性互連，而不影響壓擺率或總線性能。另外，ADI的軟件可編程和引腳可選I2C多路復(fù)用器有助于解決I2C地址限制，增加扇入或扇出能力，并為一體化解決方案集成總線緩沖器和上升時(shí)間加速度計(jì)。電阻可配置I2C地址轉(zhuǎn)換器可配置超過100個(gè)獨(dú)特的從機(jī)地址，使多個(gè)具有相同地址的從器件可在同一總線上共存。
編輯：hfy