Part 01 前言

I2C通(tong)信電(dian)(dian)路是嵌入式設(she)計中(zhong)(zhong)的“常(chang)客”，在各種產品比如家電(dian)(dian)，工(gong)控，醫(yi)療器械(xie)等產品的板(ban)內(nei)通(tong)信中(zhong)(zhong)I2C總能(neng)派上用場。但(dan)設(she)計I2C電(dian)(dian)路時，上拉電(dian)(dian)阻Rp的選(xuan)(xuan)擇卻是個讓人頭疼的問(wen)題(ti)：選(xuan)(xuan)小(xiao)了(le)不行(xing)，選(xuan)(xuan)大了(le)也(ye)不行(xing)。今天咱們(men)就(jiu)來聊(liao)聊(liao)I2C上拉電(dian)(dian)阻的計算方法吧。

Part 02 為啥I2C需要上拉電阻？

I2C是一種開漏Open-Drain通(tong)信協(xie)議，SDA和(he)SCL線上的信號只能被拉低（輸(shu)(shu)出0V），而(er)拉高（輸(shu)(shu)出1）全靠上拉電阻(zu)Rp。

工作(zuo)原理(li)：

沒有信號時，上拉電阻把線(xian)路拉到高電平(ping)（接近Vcc）。

IC需要輸出0時，會通過內部的MOSFET把線路拉低到接近(jin)0V。

上拉(la)電阻的(de)作用：

電阻決(jue)定了(le)線路從低電平(ping)到(dao)高電平(ping)的上升(sheng)速度，同時也影響功耗。選的值(zhi)不對，要(yao)么通信慢(man)得(de)像(xiang)“烏龜爬”，要(yao)么功耗高得(de)像(xiang)“電老虎”。

那上拉電阻(zu)的阻(zu)值如何確定呢？

Part 03 上拉電阻計算

我(wo)們(men)需要計算上拉電阻的(de)最(zui)小(xiao)值Rp(min）和最(zui)大值Rp(max)，咱們(men)一步步分析。

最小(xiao)值 Rp(min)計算

如果上拉電(dian)(dian)阻(zu)太(tai)小，電(dian)(dian)流會太(tai)大，IC可能拉不下來低電(dian)(dian)平，導致通信失敗。最小電(dian)(dian)阻(zu)由以下公式決定：

Vcc:電源電壓

VoL(max):IC能輸出的最大低(di)電平(ping)電壓（I2C標準(zhun)要求邏輯低(di)電平(ping)低(di)于(yu) 0.3×Vcc)

IoL:IC拉低時的灌電流能力(Sink Current)

舉(ju)個例子，Vcc = 3.3V，VoL(max)=0.4V，IoL=3mA，

所以，上拉電(dian)阻不(bu)能小于966.67Ω，不(bu)然IC拉低電(dian)平會“力不(bu)從(cong)心”，邏(luo)輯(ji)0 可能變成(cheng)“半吊子”，通信直接崩(beng)。

最大值 Rp(max)計(ji)算(suan)

如果上拉電(dian)(dian)阻太大(da)，線路的上升時間會變長，達不(bu)到I2C標準的上升時間要求（Rise Time），導致通信失敗。最大(da)電(dian)(dian)阻由以下公式決定：

tr:I2C標準的最大上升時間(jian)

Cb:總線電容（包括線路電容和IC的引I腳電容）

0.8473：RC電路(lu)上升時間(jian)(jian)的常數(shu)（從0.3×Vcc到0.7×Vcc的時間(jian)(jian)系數(shu)）

舉個例子，如果tr=300 ns，Cb = 200pF

所(suo)以，上(shang)拉(la)電阻(zu)不能(neng)(neng)大于1770Ω，不然(ran)信號上(shang)升(sheng)太(tai)慢(man)，I2C主設備可能(neng)(neng)還沒(mei)等到高電平就“等不及了”，通信又崩。

上拉電(dian)(dian)阻的范(fan)圍算出來(lai)了（966.67Ω到1770Ω），但具體選(xuan)多大，還(huan)得看速(su)度和功耗的平衡。小電(dian)(dian)阻（接(jie)近Rp(min)），優(you)點(dian)是上升(sheng)時(shi)間短，通(tong)信速(su)度快(kuai)。缺(que)點(dian)是電(dian)(dian)流大，功耗高。比如(ru)用1kΩ，上升(sheng)時(shi)間：

速度很(hen)快，但平(ping)均(jun)電流（信號頻繁切換時）：

功耗

大電阻（接近 Rp(max)），優點(dian)是(shi)電流小，功耗低。缺點(dian)是(shi)上升(sheng)時間(jian)長，速(su)度慢(man)。比如用1.5kΩ，上升(sheng)時間(jian)：

速度慢了點，但(dan)功耗：

Part 04 注意事項

1.總線線電容(rong)Cb要(yao)估(gu)準：

Cb包(bao)括PCB走(zou)(zou)線(xian)(xian)電容（每厘(li)米約1-2pF）、IC引(yin)腳電容（通(tong)常5-10pF/個）。比如10cm走(zou)(zou)線(xian)(xian)+2個IC，Cb ≈ 20 + 2 × 10 = 40 pF。實際設計時留點余(yu)量，測(ce)一下(xia)最好。

2.Vcc變化的影響(xiang):

Vcc不(bu)是穩(wen)定的，而是波動的，比如不(bu)是3.3V，而是2.9-3.5V之間，Rp(min)會(hui)變化，重(zhong)新算一下。

3.環境溫度：

高溫(wen)下IC的IoL可能變(bian)小，Rp(min)會(hui)變(bian)大，注(zhu)意評估。

4.多設(she)備場景：

多個IC掛(gua)在I2C 總(zong)線上(shang)，電容Cb會增加，Rp(max)變小，重新算一下范圍。