Part 01 前言

I2C通信電路是嵌入式設計中的“常客”，在各種產品比如家電，工控，醫(yī)療器械等產品的板內通信中I2C總能派上用場。但設計I2C電路時，上拉電阻Rp的選擇卻是個讓人頭疼的問題：選小了不行，選大了也不行。今天咱們就來聊聊I2C上拉電阻的計算方法吧。

Part 02 為啥I2C需要上拉電阻？

I2C是一種開漏Open-Drain通信協(xié)議，SDA和SCL線上的信號只能被拉低（輸出0V），而拉高（輸出1）全靠上拉電阻Rp。

工作原理：

沒有信號時，上拉電阻把線路拉到高電平（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0V。

上拉電阻的作用：

電阻決定了線路從低電平到高電平的上升速度，同時也影響功耗。選的值不對，要么通信慢得像“烏龜爬”，要么功耗高得像“電老虎”。

那上拉電阻的阻值如何確定呢？

Part 03 上拉電阻計算

我們需要計算上拉電阻的最小值Rp(min）和最大值Rp(max)，咱們一步步分析。

最小值 Rp(min)計算

如果上拉電阻太小，電流會太大，IC可能拉不下來低電平，導致通信失敗。最小電阻由以下公式?jīng)Q定：

Vcc:電源電壓

VoL(max):IC能輸出的最大低電平電壓（I2C標準要求邏輯低電平低于 0.3×Vcc)

IoL:IC拉低時的灌電流能力(Sink Current)

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

所以，上拉電阻不能小于966.67Ω，不然IC拉低電平會“力不從心”，邏輯0 可能變成“半吊子”，通信直接崩。

最大值 Rp(max)計算

如果上拉電阻太大，線路的上升時間會變長，達不到I2C標準的上升時間要求（Rise Time），導致通信失敗。最大電阻由以下公式?jīng)Q定：

tr:I2C標準的最大上升時間

Cb:總線電容（包括線路電容和IC的引I腳電容）

0.8473：RC電路上升時間的常數(shù)（從0.3×Vcc到0.7×Vcc的時間系數(shù)）

舉個例子，如果tr=300 ns，Cb = 200pF

所以，上拉電阻不能大于1770Ω，不然信號上升太慢，I2C主設備可能還沒等到高電平就“等不及了”，通信又崩。

上拉電阻的范圍算出來了（966.67Ω到1770Ω），但具體選多大，還得看速度和功耗的平衡。小電阻（接近Rp(min)），優(yōu)點是上升時間短，通信速度快。缺點是電流大，功耗高。比如用1kΩ，上升時間：

速度很快，但平均電流（信號頻繁切換時）：

功耗

大電阻（接近 Rp(max)），優(yōu)點是電流小，功耗低。缺點是上升時間長，速度慢。比如用1.5kΩ，上升時間：

速度慢了點，但功耗：

Part 04 注意事項

1.總線線電容Cb要估準：

Cb包括PCB走線電容（每厘米約1-2pF）、IC引腳電容（通常5-10pF/個）。比如10cm走線+2個IC，Cb ≈ 20 + 2 × 10 = 40 pF。實際設計時留點余量，測一下最好。

2.Vcc變化的影響:

Vcc不是穩(wěn)定的，而是波動的，比如不是3.3V，而是2.9-3.5V之間，Rp(min)會變化，重新算一下。

3.環(huán)境溫度：

高溫下IC的IoL可能變小，Rp(min)會變大，注意評估。

4.多設備場景：

多個IC掛在I2C 總線上，電容Cb會增加，Rp(max)變小，重新算一下范圍。