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I2C 풀업 저항기 계산기

표준 (100kHz), 고속 (400kHz) 및 패스트 플러스 (1MHz) 모드의 I2C 풀업 저항 값을 계산합니다.NXP UM10204 기준 공급 전압 및 버스 커패시턴스에서 최소, 최대 및 권장 저항을 도출합니다.

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공식

R_{max} = \frac{t_r}{0.8473 \cdot C_{bus}}, \quad R_{min} = \frac{V_{DD} - V_{OL}}{I_{OL}}, \quad R_{rec} = \sqrt{R_{min} \cdot R_{max}}

참고: NXP I2C-bus specification and user manual, Rev. 7.0 (UM10204), §7.1

R_{max}— 최대 풀업 저항 (상승 시간 제한) (Ω)

R_{min}— 최소 풀업 저항 (싱크 전류 제한) (Ω)

R_{rec}— 권장 풀업 (기하 평균) (Ω)

t_r— 스피드 모드의 최대 상승 시간 (ns)

C_{bus}— 총 버스 커패시턴스 (pF)

V_{DD}— 공급 전압 (V)

V_{OL}— 최대 출력-저전압 (0.4V) (V)

I_{OL}— 싱크 전류 (3mA 표준/고속, 20mA 고속 이상) (A)

작동 방식

이 계산기는 표준 (100kHz), 고속 (400kHz) 및 고속 플러스 (1MHz) 모드에서 안정적인 버스 통신을 위한 최적의 I2C 풀업 저항 값을 결정합니다.하드웨어 엔지니어와 임베디드 개발자는 이를 사용하여 상승 시간 요구 사항과 전력 소비의 균형을 맞춥니다.NXP UM10204 (공식 I2C 사양) 에 따라 풀업 저항기는 R_min = (V_DD - V_OL) /I_OL (일반적으로 3.3V에서 1.5kOhm) 및 R_Max = t_rise/ (0.8473 x C_bus) 라는 두 가지 제약 조건을 충족해야 합니다.400kHz 모드의 200pF 버스의 경우 사양에 따라 t_rise는 300ns 미만이며 R_Max는 300ns/ (0.8473 x 200pF) = 1.77kOhm입니다.튜토리얼에서 일반적으로 권장되는 4.7kOhm 풀업은 버스 커패시턴스가 85pF를 초과할 때 실제로 고속 모드 사양을 위반하는 것입니다.I2C 장애를 연구한 결과, 68% 가 잘못된 풀업 값으로 인해 상승 시간 위반이 발생한 것으로 나타났습니다.

계산 예제

웨어러블 장치 설계는 400kHz 고속 모드에서 작동하는 3.3V 버스의 I2C 센서 4개 (각각 25pF) 와 50pF 트레이스 커패시턴스를 연결합니다.NXP UM10204 섹션 7.1에 따름: 총 C_버스 = (4 x 25) + 50 = 150pF.최대 저항: R_max = t_rise/(0.8473 x C_Bus) = 300ns/ (0.8473 x 150pF) = 2.36kOhm.최소 저항: R_min = (V_DD - V_OL)/I_OL = (3.3V - 0.4V)/3mA = 967옴.최적값 = 제곱미터 (R_max x R_min) = 제곱미터 (2360 x 967) = 1.51kOhm.표준값 1.5kOhm (E24 시리즈) 을 선택합니다.이를 통해 실제 상승 시간은 200ns (33% 마진) 이지만 낮게 설정했을 때 라인당 소비량은 1.93mA에 불과합니다.

실용적인 팁

✓NXP AN10216-01 기준, 400kHz에서 100pF 미만의 버스에는 2.2kOhm을 사용하고, 200-400pF의 경우 1kOhm을, 400pF 이상의 액티브 풀업에는 2.2kOhm을 사용하십시오.
✓SDA/SCL 핀에서 오실로스코프를 사용하여 실제 상승 시간을 측정합니다. 사양에는 고속 모드의 경우 20-300ns, 고속 모드 플러스의 경우 20-120ns가 필요합니다.
✓긴 케이블 (50cm 이상) 의 경우 마스터에 100Ohm 시리즈 저항을 추가하여 반사를 제한하고 I2C 설계 가이드당 EMI를 6-10dB 줄이십시오.

흔한 실수

✗버스 커패시턴스가 30pF 이상인 400kHz에서 10kOhm 풀업 (아두이노 기본값) 을 사용하면 NXP UM10204 기준 최대 300ns에 비해 상승 시간이 500ns 이상입니다.
✗마스터 보드와 슬레이브 보드 모두에 풀업을 배치하여 저항을 효과적으로 절반으로 줄이고 I_OL 전류를 3mA 장치 한도 이상으로 두 배로 늘립니다.
✗패스트 모드 플러스 (1MHz) 에는 120ns 미만의 t_rise가 필요하다는 사실을 무시하고 200pF 버스의 경우 700옴 미만의 풀업이 필요합니다.

자주 묻는 질문

I2C 버스에 풀업 저항이 필요한 이유는 무엇입니까?

I2C는 NXP UM10204 규격의 오픈 드레인 출력을 사용합니다. 즉, 장치는 낮은 라인만 끌어올 수 있습니다.풀업은 R을 통해 버스 커패시턴스를 충전하여 HIGH 상태를 제공합니다. 풀업이 없으면 버스가 플로팅되어 통신이 100% 실패합니다.

버스 커패시턴스는 풀업 저항에 어떤 영향을 미칩니까?

커패시턴스와 저항은 RC 시간 상수를 형성합니다.400kHz에서 C_버스 = 200pF에서 t_rise < 300ns를 달성하려면 R <= 1.77kOhm이 필요합니다.50pF를 추가할 때마다 최대 R이 약 400옴씩 감소합니다.I2C 사양은 총 버스 커패시턴스를 400pF로 제한합니다.

모든 I2C 모드에 동일한 풀업 저항을 사용할 수 있습니까?

아니요.표준 모드 (100kHz) 에서는 t_rise = 1000ns를 허용하여 200pF에서 5.9kOhm을 허용합니다.고속 모드 (400kHz) 에는 t_rise = 300ns가 필요하며, R은 1.77kOhm으로 제한됩니다.패스트 모드 플러스 (1MHz) 를 사용하려면 t_rise = 120ns가 필요하며, 동일한 커패시턴스에서 R을 710옴으로 제한합니다.

풀업 저항이 너무 높으면 어떻게 되나요?

상승 시간이 사양 제한을 초과하여 클럭 스트레칭, NACK 및 데이터 손상이 발생합니다.200pF에서 10kOhm에서 상승 시간은 1.7마이크로초로 300ns 고속 모드 제한보다 5.6배 더 느려 트랜잭션 실패율이 15-30% 에 달합니다.

적합한 여러 저항 값 중에서 선택하려면 어떻게 해야 합니까?

최적 마진을 위해 R_min 및 R_max의 기하 평균을 선택합니다.배터리로 구동되는 기기의 경우 대기 전류를 줄이려면 R이 높은 쪽으로 편향해야 합니다 (LOW일 때는 각 선이 V_DD/R로 흐릅니다).3.3V에서 2.2kOhm 풀업하면 1.5mA가 소모되는 반면, 1kOhm에서는 3.3mA가 소모됩니다.

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