我們說(shuō)看到的大部分單片機(jī)，基本都實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部集成電路（I2C）串行總線接口。I2C對(duì)于連接主板或嵌入式系統(tǒng)上的許多低速外設(shè)非常有用。這些接口使用7位尋址方案，它允許多個(gè)主設(shè)備通過(guò)簡(jiǎn)單的2線總線控制多個(gè)外設(shè)。

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，有時(shí)由于總線的物理尺寸變得很大，因此需要緩沖器。I2C緩沖器就像一種中繼器，但它并不意味著克服總線上的損耗。由于I2C總線的上升時(shí)間通常較慢，因此這些總線不會(huì)像高速數(shù)字總線那樣因損耗而出現(xiàn)信號(hào)衰減。相反，它們將時(shí)序特性恢復(fù)到某個(gè)所需的水平，以便可以根據(jù)需要使總線的大小更大。

一、I2C總線電氣特性

I2C總線由兩條活動(dòng)線組成：串行時(shí)鐘（SCL）和串行數(shù)據(jù)（SDA）線。這兩條線都連接到主控制器或外圍ASIC上的引腳，這兩個(gè)引腳都是需要上拉電阻的開漏引腳。這意味著主設(shè)備或外圍設(shè)備可以將SDA線拉低，而上拉電阻器被動(dòng)地將線返回到高電壓電平，從而切換所有邏輯狀態(tài)。

影響I2C總線性能的兩個(gè)關(guān)鍵電氣參數(shù)包括：

（1）總線電容（Cbus）：SCL和SDA跡線以及連接到總線的設(shè)備上的所有輸入引腳的電容較高，會(huì)增加數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘沿的上升時(shí)間。
（2）上拉電阻（R）：SCL/SDA和VCC之間連接一個(gè)電阻。較低的電阻值會(huì)縮短上升時(shí)間，但會(huì)增加流經(jīng)開漏極的電流（功耗較高）。

I2C總線中上拉電阻的典型值為10 kOhms。例如，如果總總線電容為 100 pF，則SCL/SDA信號(hào)的 10%-90%上升時(shí)間約為2.2微秒。通過(guò)將I2C總線本質(zhì)上視為充電/放電RC電路，可以輕松計(jì)算出這一點(diǎn)?？偩€如下圖所示：

隨著越來(lái)越多的設(shè)備添加到I2C總線，由于每個(gè)設(shè)備的負(fù)載電容和額外的走線電容，Cbus的值也會(huì)增加。最終，總電容將降低可以可靠支持的最大I2C時(shí)鐘速度。較高的總線電容可以用較小的上拉電阻來(lái)抵消，但較小的電阻會(huì)通過(guò)開漏引腳增加功耗。有些漏極電流可能僅限于幾毫安，這就是上拉電阻值應(yīng)在10 kOhms左右的原因。

如果上升時(shí)間超過(guò)I2C器件的輸入閾值區(qū)域，緩慢的上升時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致時(shí)序問(wèn)題，這可能會(huì)導(dǎo)致接口時(shí)序窗口期間電壓電平的錯(cuò)誤。

為什么要添加I2C緩沖器？

為了說(shuō)明為什么需要I2C緩沖器，讓我們考慮一個(gè)例子。假設(shè)我們有一塊帶有兩個(gè)I2C設(shè)備、一個(gè)單片機(jī)和一個(gè)EEPROM的板。單片機(jī)充當(dāng)I2C主設(shè)備，EEPROM充當(dāng)外圍設(shè)備。

在400 kHz的快速模式時(shí)鐘速度下，主機(jī)可以正確地訪問(wèn)EEPROM中的數(shù)據(jù)，不會(huì)出現(xiàn)時(shí)序錯(cuò)誤。但如果在板上添加更多外圍 IC，總線最終會(huì)停止工作。這些額外的設(shè)備增加了現(xiàn)有總線的電容。由于這些設(shè)備全部并行添加到總線，因此增加的電容開始導(dǎo)致總線上所有設(shè)備的上升時(shí)間變慢，并最終出現(xiàn)通信錯(cuò)誤。

解決I2C總線性能限制的主要方法有幾種：

（1）較低的上拉電阻值：使用較小的電阻可縮短上升時(shí)間，但會(huì)因增加漏極電流而大大增加功耗。
（2）降低I2C時(shí)鐘速度：這會(huì)增加SCL/SDA信號(hào)上升沿的時(shí)序裕度，但也會(huì)降低吞吐量。
（3）添加I2C緩沖器/中繼器：I2C緩沖器將總線分成多個(gè)較小的段，這些段可以通過(guò)緩沖器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

I2C緩沖器及其總線連接的結(jié)構(gòu)如下所示：

二、在PCB設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)I2C緩沖器

I2C緩沖器允許工程師將大型總線劃分為較小的段，這最大限度地減少了每個(gè)部分的電容。通過(guò)降低電容，可以增加上拉電阻值以降低I2C功耗，同時(shí)仍滿足上升時(shí)間要求。

I2C緩沖器還可以提供電平轉(zhuǎn)換功能，可在段之間升高或降低信號(hào)。這允許高壓設(shè)備與低壓設(shè)備通信，但兩個(gè)電源電壓都需要添加到PCB中。

設(shè)計(jì)PCB時(shí)，如果出現(xiàn)以下情況，請(qǐng)考慮添加I2C緩沖器或中繼器：

（1）I2C總線具有來(lái)自許多設(shè)備的高電容。
（2）由于上拉電阻較大，SDA/SCL上升時(shí)間太慢。
（3）I2C設(shè)備需要不同的信號(hào)電平。
（4）I2C設(shè)備需要不同的時(shí)鐘頻率。
（5）I2C器件具有不同的上拉電阻限制。
（6）總線速度較高時(shí)會(huì)發(fā)生通信錯(cuò)誤。

使用I2C緩沖器的一些好處包括：

（1）將大總線分成更小的段以減少電容。
（2）通過(guò)最小化每個(gè)段上的電阻值來(lái)延長(zhǎng)上升時(shí)間。
（3）與單個(gè)長(zhǎng)總線相比，可實(shí)現(xiàn)更高的I2C時(shí)鐘速度。
（4）防止傳播延遲影響總線時(shí)序。
（5）隔離總線段之間的電氣噪聲。

三、I2C緩沖器的放置位置

當(dāng)布局具有多個(gè)I2C設(shè)備的PCB時(shí)，有幾種有效的方法來(lái)放置I2C緩沖器：

（1）將設(shè)備集群分成I2C段。如果某些 I2C 設(shè)備在電路板上物理分組在一起，則在集群之間放置緩沖器可將它們隔離到單獨(dú)的總線段中。這包含每組內(nèi)的電容。

（2）將緩沖器放置在總線中間附近。在長(zhǎng)總線的中間放置緩沖器有助于在兩個(gè)段上均勻地分配電容。這樣，緩沖器在總線的每一側(cè)看到/創(chuàng)建相似的上升時(shí)間。

（3）在電容非常高的設(shè)備附近放置一個(gè)緩沖器。如果一些外圍設(shè)備具有較大的電容，則可以將它們放置在緩沖器的輸出側(cè)，這樣它們就不會(huì)減慢總線的其余部分。

（4）使用多個(gè)級(jí)聯(lián)緩沖器來(lái)劃分復(fù)雜的總線。對(duì)于在大面積上分布有許多設(shè)備的總線，級(jí)聯(lián)2-3個(gè)緩沖器將總線分成幾個(gè)低電容段，以獲得更好的性能。

I2C緩沖器作為備份總線

使用 I2C 緩沖器的另一種選擇是作為備份總線，這實(shí)際上創(chuàng)建了主設(shè)備可以通過(guò)其進(jìn)行通信的冗余總線。如果總線上有可能發(fā)生故障，則可以啟用緩沖器以打開備份組件或外設(shè)。這種類型的系統(tǒng)常見(jiàn)于高可靠性應(yīng)用，例如基礎(chǔ)設(shè)施或工業(yè)系統(tǒng)的電力電子設(shè)備。

當(dāng)設(shè)備故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓時(shí)，就會(huì)使用緩沖器?？偩€上單個(gè)設(shè)備的故障可以通過(guò)在總線上放置一個(gè)用緩沖器分隔的冗余電路來(lái)克服。然后可以通過(guò)打開其電源或切換其ENABLE/SHDN引腳來(lái)啟用緩沖器。

在這種情況下，需要一種控制方法來(lái)感測(cè)受保護(hù)設(shè)備并確定該設(shè)備是否發(fā)生故障。如果設(shè)備發(fā)生故障，主控制器可以通過(guò)切換使能引腳切換到受保護(hù)的總線。這需要在嵌入式應(yīng)用中多付出一些功夫，但考慮余量來(lái)設(shè)計(jì)總線可確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。

以上就是英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師分享的單片機(jī)PCB電路設(shè)計(jì)知識(shí)：為I2C總線添加緩沖器。英銳恩專注單片機(jī)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)與開發(fā)，提供8位單片機(jī)、32位單片機(jī)。