I2C上升沿时间过长过缓解决办法详解

关于I2C，对于硬件工程师来说，属于低速信号，一般也不会有什么问题，最常见的问题也就是在测试信号质量时发现I2C的上升沿过缓，不符合I2C的标准，那么一般如何解决呢？

先看下图信号要求（来自I2C标准协议）

如上图，I2C分为标准模式和快速模式

标准模式通信速率最大是100Khz，上升沿最大是1000ns，bus电容最大400pF

快速模式通信速率最大是400kHz，上升沿最大是300ns，bus电容最大400pF

I2C 总线上数据的传输速率在标准模式下可达 100kbit/s 在快速模式下可达 400kbit/s。 

上拉电阻取值范围来龙去脉：

1、I2C上拉电阻的下限有一个计算公式：

Rmin＝{Vdd(max)-0.4V}/3mA  （根据协议，vdd为电源的最大值，Vmax=1.1*Vdd，3mA为驱动最大电流为3mA）

在电源为1.8V时：Rmin=527Ω

在电源为3.3V时：Rmin=1.07K

在电源为5V时：Rmin=1.7K

 

1. 那上拉电阻的上限如何确定呢？

首先我们需要明白上升沿的时间是如何来的。I2C的总线结构如下图，是一个漏极开路的结构。也就是说SDA/SCL由低电平变到高电平，是通过关闭MOS管，通过Rp上拉到电源。

而I2C总线上接入设备时，肯定是会引入电容的，接的设备越多，引入的电容也越多。所以输出高电平的过程，实际上是一个RC充电的电路，如下图，电源Vdd通过上拉电阻Rp对负载电容Cb充电的过程。

电平有0.1Vdd充到0.9Vdd（上升沿）的时间计算公式

Tr= RC*Ln[(Vdd-0.1Vdd)/(Vdd-0.9Vdd)]

Tr=2.2RC

标准模式：由Tr<1000ns 得 R<1000ns/2.2C

快速模式：由Tr<300ns 得 R<300ns/2.2C

不同电路，C的值肯定是不同的，所以要根据实测信号上升沿来确定。

注意：协议中最大电阻与负载电容的曲线，对应Tr是很宽松的，应是取的Tr为0.3Vdd上升到0.7Vdd的时间（协议中低电平门限0.3Vdd，高电平门限0.7Vdd），可能与上述公式有些出入，上述公式取的是0.1Vdd上升到0.9Vdd。

 

综上所述，如果我们发现I2C的上升沿过缓，可以通过减小上拉电阻Rp来实现，但不应超过对应的Rmin；或者降低总线电容（减少总线上的设备数量）；最后还可以通过增加器件来实现（详见I2C标准协议第41页）

I2C协议原文件分享如下：

扫描下方二维码，关注微信公众号：硬件工程师炼成之路。回复“I2C”，即可获得。