I2C总线上拉电阻阻值如何确定？

导读

I2C总线在产品设计中被广泛应用，尽管其结构简单，但经常发生上拉电阻设计不合理的问题。本文将对I2C上拉电阻的选择进行简要分析。

一根信号线上，通过电阻连接一个固定的高电平VCC，信号线初始、空闲时一直保持高电平状态，称为上拉电阻。

总线的上拉电阻各有不同作用，如I2C的上拉电阻是由I2C端口内部结构决定的，而RS485和CAN总线的上拉电阻是为了做终端匹配。那这不同总线的上拉电阻，是否接上拉，阻值的选择有何讲究吗？

是的，这些电阻阻值的选择都是有理论依据的，如果阻值选择不正确，会引起一些异常，例如曾经有一个案例，I2C上拉电阻阻值为10K，而应用却要求I2C跑400KHz的高速率，显然这样的上拉电阻不能满足400kHz的高速率要求，出现通信错误也是不可避免的了。

对于RS485和CAN总线而言，则需要根据现场情况进行灵活使用，就算节点数相同的两个应用，由于布线和所接设备的差异，需要的匹配电阻也是不同的。理论计算值可做为重要的参考依据。

 I2C上拉电阻有什么作用、阻值如何确定？

目的：保证通讯正常。

常说I2C需要加上拉电阻，却不知道为什么需要加上拉电阻？

第一是I2C本身的协议决定，空闲时两线均保持高电平状态，能够实现线“与”功能。

第二是器件内部结构，如图1所示，SCL和SDA引脚内部结构，内部无法提供高电平，只能依靠外部高电平。目前部分器件支持上拉功能的复用功能开漏模式，芯片内部可配置为上拉模式（建议使用外部上拉电阻）。

图1 I2C端口内部结构等效电路

I2C上拉电阻的取值大小怎么确定？

考虑IO灌电流，阻值不能过小。通常在标准模式100Khz，灌电流不超过3mA，

VOL不超过0.4V，若上拉电阻至3.3V，上拉电阻阻值约大于1k。

代入Vdd = 3.3，Vol(max)=0.4，Iol(max)= 3，得到Rmin = 966Ω。

考虑上升时间，阻值不能过大。高电平是靠外部上拉电阻提供，电阻和总线电容组成RC网络，电阻过大充电时间过长，造成信号上升缓慢，未在规定时间内到达高电平，导致数据错误。针对I2C系统，在上拉电压的30%至70%时来测量上升时间和下降时间，总线电容100pF，总线最大上升时间300ns。

代入Tr=300，Cb=100，计算得到Rmax=3.54kΩ。

根据以上计算，上拉电阻的取值在966~3.54k之间。工程实际设计中，并不是完全按照这个值来设计，通常可选取2.2k，3k，4.7k。

解决I2C通信问题，建议抓取I2C波形，观察总线上升/下降时间，并分析总线电容和上拉电阻等因素，并结合驱动代码全面分析。