在I2C總線上需要接上拉電阻？您對(duì)I2C上拉電阻足夠了解嗎

相信很多人都清楚，在I2C總線上需要接上拉電阻？但是您針對(duì)對(duì)I2C上拉電阻足夠了解嗎？本文帶您詳細(xì)掌握一下I2C的上拉電阻。目錄如下：

上拉電阻的含義、上拉電阻在 I2C 電路中的作用

根據(jù)VOL和IOL計(jì)算I2C上拉電阻的最小值

根據(jù)總線電容計(jì)算上拉電阻的最大值

一：I2C的上拉電阻

我們知道，在I2C的電路中，在SCL、SDA線與電源之間通常會(huì)接一個(gè)電阻，這個(gè)電阻稱之為上拉電阻。

但什么是上拉電阻？ 上拉電阻主要用于為信號(hào)線或GPIO引腳提供默認(rèn)狀態(tài)。通常選擇幾K或幾十K阻值的電阻。阻值較大的電阻確保不會(huì)通過電阻不斷地將過多的電流引入到信號(hào)線上（5V Vdd / 10KΩ = 0.5mA 電流）。在常見的MCU中有大約幾十K的電阻可以通過代碼啟用的上拉電阻將 GPIO 引腳預(yù)設(shè)為邏輯高電平狀態(tài)。

在I2C 的電路中，I2C設(shè)備（芯片）的 SCL 和 SDA 的內(nèi)部電路是“開漏”的，這意味著它們可以吸收電流，但無法提供電流。

通俗點(diǎn)講就是：這種信號(hào)可以被設(shè)置為低電平，但不能被設(shè)置為高電平。

所以我們?cè)陔娐分幸赃壿嫺唠妷旱男问浇o這些信號(hào)提供電流，在常見的芯片中，電壓通常為5V或3.3V。為了提供這個(gè)高電壓，你需要分別在在 5V 和 SCL 、SDA 總線之間連接了一個(gè)上拉電阻。如下圖所示：

但是，I2C上拉電阻的阻值和封裝可不是隨便選擇的。也是有理論依據(jù)的。

二：上拉電阻最小值計(jì)算

在數(shù)字TTL電路中，通常情況下定義的高低電平電壓值如下：

“低電平的電壓”VL=0.3 x Vdd

“高電平的電壓”VH=0.7 x Vdd

所以，我們將I2C設(shè)備接到5V系統(tǒng)的電路中時(shí)，SDA和SCL的電壓高于3.5V時(shí)被識(shí)別為“高電平”，低于1.5V時(shí)被識(shí)別為“低電平”。在1.5V~3.5V之間的電平，我們不能確定為高or低~ I2C設(shè)備內(nèi)是有mosfet的，我們需要保證電壓值高于一定值才能使mosfet導(dǎo)通，但電壓值也不能高太多，否則容易造成mosfet損壞。

此處以LED舉例：假設(shè)LED的壓降是1.7V，需要高于1.7V的電壓才能使LED導(dǎo)通，但是電流必須在LED的限定值以內(nèi)。如壓降為1.7V、額定電流為30mA的LED，想要LED點(diǎn)亮的理想情況是：（5V-1.7V）/30mA=110歐。所以針對(duì)該LED選用的限流電阻為110歐。

對(duì)于I2C引腳，在芯片手冊(cè)中可以清楚的查到VOl（輸出低電壓）和IOL（輸出低電流）。以AT24C128 EEPROM芯片的手冊(cè)為例：

按照上述參數(shù)計(jì)算：(5-0.4)V / 2.1mA=2.2K。

我們計(jì)算出的這個(gè)值，就是I2C總線上拉電阻的最小值。我們?nèi)绻x用更小的電阻值，就可能對(duì)I2C設(shè)備造成損壞。

三：上拉電阻最大值計(jì)算

電容是無處不在的，I2C總線也不例外。I2C電路中SDA和SCL引腳也會(huì)存在某種形式的引腳電容。

同樣，查看AT24C128的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以查到對(duì)應(yīng)的引腳電容。如下圖所示。

包括引腳電容、PCB電容等所有的疊加，我們可以理解成有一堆的小電容連到I2C總線上，現(xiàn)在暫且將這些電容的累加定義為Cbus。

我們之所以關(guān)心Cbus，是因?yàn)樵谛盘?hào)變化的過程中，其實(shí)是對(duì)Cbus進(jìn)行充電和放電，這樣會(huì)影響到信號(hào)的延時(shí)時(shí)間。

這些電容是如何充電的呢？就是通過VCC和上拉電阻給電容充電。

從AT24C128手冊(cè)中可發(fā)現(xiàn)，SDA的引腳電容為8pF，SCL的引腳電容為6pF。假設(shè)PCB的電容平均值為10pF。則，在SDA總線的電容總計(jì)18pF；在SCL總線的電容總計(jì)為16pF。

關(guān)于PCB電容怎么計(jì)算，本公眾號(hào)將以專門的文章進(jìn)行講解，此處不再講述。歡迎持續(xù)關(guān)注本公眾號(hào)。

我們現(xiàn)在關(guān)注的是上拉電阻的阻值最大值應(yīng)該是多少才能保證SDA和SCL在要求的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行信號(hào)高低電平的切換。引入總線電容就是為了確定上拉電阻最大值。

在AT24C128的收據(jù)手冊(cè)中，也可以查詢到上升時(shí)間tR的值，如下圖。

tR就是I2C總線最大允許的上升時(shí)間。除了芯片手冊(cè)有規(guī)定tR值，I2C總線也規(guī)定了tR的值如下：

下面引入上拉電阻計(jì)算的重量級(jí)公式：

到目前為止，我們已經(jīng)確定了tR和Cb的值，就可以計(jì)算出上拉電阻的最大值。以400KHz的快速模式I2C為例計(jì)算：

Rp sda max=300ns/(0.8473x18pf）≈ 18K

Rpscl max=300ns/(0.8473x16pf）≈18K

所以，18K就是我們確定的I2C總線上拉電阻的最大值。

結(jié)合2.2K的最小值，I2C總線的上拉電阻只能選擇：2.2K~18K之間的阻值，一般選擇4.7K或10K。

四：總結(jié)

上面的計(jì)算我們是只計(jì)算了I2C總線只有AT24C128的情況，只需要選用2.2K~18K之間的電阻即可。

當(dāng)I2C總線掛接的設(shè)備增加、PCB布線不同等多個(gè)方面都會(huì)影響到上拉電阻阻值的選擇。

審核編輯：劉清