I2C走线技巧、及上拉电阻、电源电压、总线电容三者间的函数关系

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I2C总线PCB布线注意事项:

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I2C总线的布线方式

I2C器件与I2C总线的接线方式

I2C总线连接规范

I2C电阻、电源电压、电源电压之间的函数关系

I2C上拉电阻 - raymon_tec - 博客园

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I2C总线PCB布线注意事项:

1.在设计逻辑电路的印刷电路板时，地线应形成闭环形式，可有效提高电路抗干扰能力。
2.地线应尽可能粗。众所周知，如果细线电阻大，接地电位会随着电流的变化而变化，导致信号电平不稳定，进而降低电路的抗干扰能力。
3意选择接地点。当电路板上的信号频率低于1时MHz当时，由于布线与元件之间的电磁感应影响较小，接地电路形成的环流对干扰影响较大，因此应采用一点接地，使其不形成电路。当电路板上的信号频率于10MHz接地电路形成的环流不再是主要问题，因为布线的电感效果明显，地线阻抗变大。所以应采用多点接地，尽量降低地线阻抗。
4.电源线的布置不仅要根据电流的大小尽可能加大布线宽度，还要使电源线和地线的布线方向与数据线的布线方向一致。在布线工作结束时，用地线覆盖电路板底部没有布线的地方。这些方法有助于提高电路的抗干扰能力。
为了减少阻抗，数据线的宽度应尽可能宽。
6.过孔数量应尽量减少。要知道电路板的过孔会带来10左右。pF电容效应在高频电路中受到很大干扰，因此应尽量减少过孔量。此外，过多的过孔也会大大削弱电路板的机械强度。

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I2C总线的布线方式

一般来说，总线的串扰和干扰必须最小化。
如果PCB 板的总线长度或带状电缆超过10cm， 包括VDD 和VSS 线配线必须是：
SDA _______________________
VDD _______________________
VSS _______________________
SCL _______________________

如果只有VSS 所以配线方式必须是：
SDA _______________________
VSS _______________________
SCL _______________________
如果PCB 用了VSS层和VDD层,VDD和VSS 线可忽略。

如果总线是双绞线，每条总线都可以被包围VSS 绕；另一种方法是SCL 线围着VSS 绕SDA 线围着VDD 绕道。后者必须在两条双绞线的末端连接一个电容，以便VDD 线和VSS 线解耦。

I2C总线一般再Master端和Slaver拉电阻增加拉电阻，PCB布局时，将上拉电阻靠近Master端和Slaver端

I2C器件与I2C总线的接线方式

转自：I2C器件与I2C总线接线方式-基础电子-维库电子市场网

I2C总线允许使用不同制造工艺生产的设备和使用不同电源电压的设备进行通信。电源电压固定为5×（1±10％）V其逻辑电平规定如下：

VILmax=1.5V(输入低电平)；

VIHmax＝3V(输入高电平)。

对于能够适应电源电压范围较宽的设备(如CMOS类)，其逻辑电平规定如下:

VILmax＝0.3VDD(输入低电平)；

VIHmax＝0.7VDD(输入高电平)。

固定输入电平I2C总线设备可以单独连接适合自己的电源电压，但公共设备I2C总线上的拉电阻必须连接到5个电压×（1±10％）V的电源上，如图1所示，其中VDD2～VDD四是由设备决定的。

图1 固定输入电平器件和I2C器件的连接

输入电平与电源电压相关I2C工作电压范围较宽的总线设备，必须使用公共电源，I2C如图2所示，总线上的拉电阻也连接到电源上。

图2 输入电平随电源而变化的设备和I2C器件的连接

当上述两个设备混合时，输入电平与电源电压相关I2C总线器件必须采用一个公共电源，I2C总线上的拉电阻也与电源相连。I2C总线设备可单独使用适合自己的电源电压，如图3所示。VDD2和VDD例如，它可以是12V。

图3 两种设备混合I2C器件的连接

此外，设备输入级的噪声容量也应满足以下要求：低电平噪声容量为0.1VDD，高电平噪声容量为0.2VDD。为了抑制环境电磁干扰SDA和SCL线上引起的尖脉冲过高，需要将电阻串联到设备引脚上RS。

I2C总线连接规范

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I2C总线中上拉电阻、电源电压、总线电容三者之间的函数关系

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I2C总线中上拉电阻、电源电压、总线电容三者之间的函数关系

在我们的实际设计中，需要清楚I2C的总线的两个特征：
1、串行数据SDA和串行时钟SCL线都是双向线路，通过一个电流源或上拉电阻Rp连接到正的电源电压+VDD，当总线空闲时这两条线路都是高电平。连接到总线的器件输出级必须是漏极开路或集电极开路才能执行线与的功能。I2C 总线上数据的传输位速率，在标准模式下可达100kbit/s，快速模式(F/S)下可达400kbit/s，高速模式(Hs)下可达3.4Mbit/s。

2、连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF限制。如果总线线路的负载电容升高，位速率将逐渐下降。
总线规定使用非标准电源电压,不遵从I2C 总线系统电平规定的器件，必须将输入电平连接到有上拉电阻Rp 的VDD电压。

其中的一些术语描述如下：
1，总线输入电平的定义：低电平噪声容限是0.1VDD，高电平噪声容限是0.2VDD。VOL定义为在漏极开路或集电极开路时，有3mA下拉电流时的低电平输出电压，最大值取VOLmax=0.4V，这个3mA是指定的最小下拉电流。在一定范围内，下拉电流越大，驱动能力越强。Rpmin是电源电压的函数，即电源电压越高，Rpmin值越高。Rpmax是负载电容的函数，总线电容越大，即负载越大，Rpmax越低。

2，总线电容是线路连接和管脚的总电容，规定总线输入电流的最大值是10uA，同时规定了上升时间tr的最大值，由于高电平要求0.2VDD的噪声容限，这个输入电流限制了Rp 的最大值。总的高电平输入电流是Rpmax的函数。在电源电压一定时，总的高电平输入电流越大，Rpmax越小。总线的负载电容和上拉电阻的值决定了信号的上升时间tr，规定
trmax=300ns。时间常数等于源端阻抗和总线电容的乘积，上拉电阻太大会造成时间常数过大，从而使上升沿的斜率变小，增大了总线上升时间。
 
小结：
1、上拉电阻Rp的值由三个参数决定：电源电压、总线电容和连接器件的数量（输入电流+漏电流）。

2、总线电容Cb是一条总线线路连接和管脚的总，单位是pF。由于规定了上升时间，这个电容限制了上拉电阻Rp 的最大值，而电源电压限制了上拉电阻Rp 的最小值，输出级在VOLmax=0.4V 时指定的最小下拉电流是3mA。
如果总线线路的电容负载升高，位速率将逐渐下降，总线的电容负载是400pF 时的，允许最大位速率是1.7Mbit/s 。总线电容负载在100pF~400pF 时时序参数必须呈线性增加。

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

(实验：接入200K上拉电阻，结果观察到信号上升时间增大，方波变成三角波）

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,   T=1us 100KHz, T=0.3us 400KHz

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

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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，这样会导致MOS管不完全导通，有饱和状态变成放大状态，这样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。

在大多数情况下，由于I2C接口采用开漏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。

           

 

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。

1.IIC的接口一般都是OD或者OC门，芯片内部无上拉电阻时，外部需要加上拉电阻才能输出高电平。

2.上拉电阻的最小值受电源电压限制，最大值受负载电容（总线电容）限制。计算公式为：

Rmin＝(Vdd(min)-0.4V)/3mA

Rmax=(T/0.874) *C，T=1us 100KHz, T=0.3us 400KHz，C是Bus capacitance

3. RP一般不低于1KΩ。一般IO 端口的驱动能力在2~4mA量级，如果RP阻值过小，VDD灌入端口的电流较大，会导致MOS管不完全导通，由饱和状态变成放大状态，使端口输出的低电平值增大(IIC规定端口输出低电平的最高值为0.4V)；同时灌入端口的电流过大，还可能损坏端口。

RP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。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。

4.I2C总线的传输速率分为标准模式（100Kbit/s）和快速模式（400Kbit/s），负载的最大容限分别是400pF和200pF

5.I2C协议还定义了串联在SDA、SCL线上的电阻Rs。该电阻的作用是抑制总线上的干扰脉冲进入从设备，提高可靠性，一般在100~200ohm左右。该电阻并不是必须的，在恶劣噪声环境中可以选用。

6.IIC从设备的数量受总线电容<=400pF的限制

7.由于一般IIC的应用速率并不高（400kbps）,完全可以使用处理器的IO口模拟IIC波形。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拉电阻无关，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IIC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。
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