工程师案头必备！思瑞浦发布《I²C总线及系统应用指南》，助力I²C系统设计

　　I2C是一种简单、高效的双向同步串行通信总线，仅靠SDA和 SCL两根信号线，即实现控制器与目标设备通信。I2C总线虽然结构简单，但在上拉电阻选取、总线拓展、多电压域电平转换等环节，仍有许多需要留意的细节。针对I2C协议和相关器件在应用中常见的问题，思瑞浦推出了《I2C总线及系统应用指南》。对I2C器件从架构到应用提供实用指导，帮助工程师少走弯路、高效可靠地完成I2C系统设计。

　　01、I2C系统介绍

　　I2C系统通常由控制器、目标器件、电平转换器件、总线拓展器件等构成。通过灵活组合I2C开关、I/O扩展器，缓冲器和电平转换器件，可将原本单段、单电压的I2C总线拓展为多段、多电压域的总线拓扑，从而满足复杂板级互联需求。

　　图1 I2系统

　　02、 I2C最常见，也最容易被忽略的问题：上拉电阻怎么选取

　　I2C器件采用开漏输出，高电平由外接上拉电阻建立。多个器件可以共享总线，实现“线与”逻辑。上拉电阻的最大值由总线电容和通信速率决定，最小值由器件低电平驱动能力决定。I2C信号的上升沿是上拉电阻对总线寄生电容充电的过程。相同寄生电容条件下，上拉选得越大(RC时间常数越大)，则信号上升时间越长。上拉电阻选得太小，则低电平期间器件灌电流增大，可能使低电平抬升。上拉电阻可按如下公式计算：

　　也可以直接查找根据该公式绘制的曲线：

　　03、 I2C读写帧：常见的三种读写格式

　　I2C通信的基本单元是一帧完整的数据传输，通常由START、地址字节(7位地址+R/W方向位)、ACK/NACK、数据字节和STOP组成。根据读写方式的不同，I2C通信可以组合为三种典型序列：

　　写操作(Write)

　　图4 写操作帧格式

　　读操作(Read)

　　图5 读操作帧格式

　　先写后读(Write then Read)

　　图6 先写后读操作帧格式

　　04、 I2C开关：总线多通道拓展管理

　　当系统中出现从机地址冲突、或需要按位置功能分区管理时，可以使用I2C开关。与普通模拟开关不同，I2C开关可以通过 I2C命令控制各通道的开启与关断，无需额外的逻辑选择引脚。

　　思瑞浦I2C开关产品覆盖1:N和2:1类型：前者用于一主多从的总线分段管理，后者面向多主机共享下游总线的场景，并内置仲裁功能，可避免多主机同时访问造成的数据冲突。

　　图7 I2C开关典型应用

　　同时，I2C开关还支持电平转换功能。I2C开关每个通道内部是MOSFET结构，其栅极电压由寄存器控制。通道关闭时，栅极电压为 0V，MOS在整个电平范围内完全关断。通道开启时，MOS栅极被驱动到VCC，低电平期间MOS导通，低电平可传至另一侧;高电平期间 MOS关断，两侧总线分别由各自上拉电阻拉高，从而实现双向电平转换。

　　图8 I2C开关MOSFET架构

　　常见应用注意事项：

　　·通道两侧都要配置上拉电阻，高电平依赖上拉电阻建立。

　　·两侧总线电压都必须高于当前供电VCC对应的VPASS(或VO(SW)) 电压。

　　05、I/O扩展：两根线“变”出多路GPIO

　　当主控GPIO资源不足时，可以使用I2C拓展GPIO芯片。只需SDA/ SCL两根线，就能拓展出4~16路I/O，可用于LED指示、按键扫描、电源使能等，并支持中断输出。

　　思瑞浦提供4位、8位、16位不同I/O端口数量的拓展芯片，输入端口有默认内部上拉和无内部上拉两种选择，可根据默认电平需求灵活选型。部分型号集成电平转换功能，I2C总线侧与I/O端口侧独立供电，适合主控与外部I/O电平不一致的应用。

　　图9 GPIO扩展典型应用

　　常见应用注意事项：

　　·I/O带内部上拉的型号(如 TPT29555A)上电时默认输入为高，若需默认低可外接1kΩ~10kΩ下拉电阻。

　　·无内部上拉的型号(如 TPT29535A)，可以根据需求灵活选择外部上拉或下拉。其未使用端口不得悬空，以免误触发中断和引起芯片功耗增大。

　　06、I2C电平转换：不同架构的区别，应用怎么选

　　在多电压域I2C系统中，通常需要自动双向、支持开漏应用的电平转换芯片。根据内部架构的不同，I2C电平转换器件可以分成多种类型。

　　集成MOS架构(TPT29306、TPXF0102)

　　这类芯片内部为多个MOS通道，其中EN为MOS栅极电压。通过将 EN与VREF2短接，并经200kΩ电阻上拉到高压侧电源，可以实现栅极电压的自动调节。低电平期间MOS导通，低电平经过极低导通内阻传输到另一侧。高电平期间MOS关闭，两侧总线被各自电阻上拉，实现电平转换功能。

　　图10 MOS架构电平转换芯片

　　应用场景：宽工作电压范围、通用性强;通信速率取决于总线寄生电容和外部上拉电阻，适合板内通信;极低的延迟。

　　注意事项：EN不能直接接高压侧电源VCC2，这是此类器件最常见的错误用法，其可能导致高电平无法关断、低压侧总线被抬高。

　　集成边沿加速功能的电平转换芯片(TPT29606、TPT20102、TPXS0102)

　　这类芯片在MOS架构基础上，集成单稳态(One-Shot)边沿加速电路，在信号边沿期间可以提供短暂的强上拉/下拉驱动能力，实现更高速率的应用。

　　图12 边沿加速架构电平转换芯片

　　应用场景：适用于I3C/SPI等高速率应用，也向下兼容低速I2C应用，适合板内通信。一般无需外部上拉电阻或者可增加外部弱上拉，高速率且低功耗;

　　注意事项：该类型芯片边沿速率较快，走线较长时建议增加串阻，抑制振铃或过冲。

　　I2C中继器(TPT29617A)

　　I2C中继器对信号进行重新驱动，可以隔离两侧总线电容，把长走线分成多段，并驱动较重的电容负载。TPT29617A具备防死锁机制，2侧低电平存在静态偏移。其完整的方向识别机制和电平传输过程可参考应用指南。

　　应用场景：通用电平转换器件，对于长走线和板外通信等场景适配良好，可有效提高信号质量。

　　注意事项：两个TPT29617A的2侧不能直接级联;且2侧的外部输入低电平不能高于0.4 V(VIL)。

　　07、产品速查表|3PEAK I2C/I3C接口系列

　　08、结语

　　以上内容节选自3PEAK接口AE团队撰写的《I2C总线及系统应用指南》。完整指南涵盖I2C物理层，协议基础，以及I2C开关、I/O扩展与电平转换器的架构原理、应用注意事项，内容更全面，适合工程师在设计中随时查阅。