© linear technology
Application Notes | 18 September 2014
Probleme am I2C meistern
I2C ist ein populärer 2-Drahtbus für die Verbindung zwischen ICs. Er ist einfach einzusetzen und arbeitet mit bis zu 400 kHz.
Einleitung
Jedoch, wie oft bei Standards, kann es zu Problemen kommen, wenn man die originalen I2C Spezifikation ausreizt oder diese für aktuelle Systemanforderungen nicht ausreichen. Mit der zunehmenden Komplexität sind mehr und mehr I2C Bausteine am Bus, was zu Kompromissen bei einigen Parametern führen kann.
Die meisten Probleme bei I2C System sind elektrischer Natur oder liegen im Timing bzw. in der Signalqualität. Sie treten bei Systemgrößen auf, bei denen die maximale Buskapazität von 400pF überschritten wird, durch Inkompatibilität älterer nicht konformer oder unbekannter I2C ICs oder bei Bussen, die auf unerklärliche Weise auf Low bleiben oder einfach dann, wenn nicht genug Device Adressen verfügbar sind.
Dieser Artikel zeigt wie man mit I2C Controllern von Linear Technology alle diese Probleme gleichzeitig lösen und sich so auf das Schaltungsdesign konzentrieren kann, ohne die Einschränkungen durch die Limits des I2C Standards und dessen Fallstricke.
Strenge Anforderungen erfüllen
Der I2C Standard spezifiziert eine maximale Buskapazität von 400 pF. Leiterzüge, lange Leitungen und Busknoten bringen zusätzliche Kapazität auf den Bus, was es speziell in großen Systemen schwierig macht, die 400pF Begrenzung einzuhalten. Eine weitere Einschränkung ist, dass I2C Bausteinen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen nicht denselben Bus nutzen dürfen.
Einige Systeme erfordern auch das Aus- und Einstecken von I/O Boards im laufenden Betrieb das kann die Kommunikation auf der Backplane stören, falls keine Gegenmaßnahmen getroffen werden. Beachtet man diese Problemquellen nicht, kann dies die I2C Konformität, die Datenintegrität und die Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen. I2C Busbuffer lösen diese grundlegenden Probleme. Sie bieten kapazitive Bufferung-, Levelshifting- und Hot Swapp-Fähigkeit durch das Pre-Biasing der Busleitungen.
Mit stetig wachsender Systemgröße, entstehen neue elektrische Probleme und es stellt sich heraus, dass die Vorteile älterer Busbuffer zulasten bestimmter I2C Spezifikationen gehen. Busbuffer müssen unterscheiden können zwischen dem low Zustand einer extern ansteuernden Logik und dem low Zustand der eigenen Logik. Dies brachte Buffer, deren Ausgänge Low Pegel (VOL) oberhalb der 0,4 V der I2C Spezifikation liefern oder Buffer, deren VOL mit einem Offset überlagert ist. Je mehr von diesen alten Buffern am Bus sind, umso kleiner ist der Störabstand bei Low-Pegel, was die Empfindlichkeit des Busses gegenüber Störungen erhöht. Größere Systeme profitieren von nahezu idealen Bus-Buffern, mit denen der Logic-Low Störabstand der I2C Spezifikation wiedererlangt wird. D.h. ein fast idealer Bus-Buffer ist ein schneller Buffer, der aktiv ist bis die Busspannung den Wert von 0,3 VCC (VIL) durchläuft und somit keine zusätzliche Bus Last bringt. Eine zusätzliche Anforderung an große Systeme ist die Rückwärtskompatibilität zu Buffern deren Anstiegszeitbeschleuniger (RTAs) unter 0,3 VCC einschalten oder mit Buffern, die einen nichtkonformen VOL Pegel von 0,6 V treiben. Bild 2 zeigt den LTC4315 von Linear Technology, ein neuer Busbuffer, der alle angesprochenen Probleme bewältigt. Der LTC4315 löst gewöhnlich große Buskapazitäten in kleine Segmente von <400 pF auf, sein Levelshifter arbeitet an Busversorgungen von 1,4 V bis 5,5 V und er bietet Hot Swap Fähigkeit, wodurch I/O Karten im laufenden Betrieb gewechselt werden können. Fast noch wichtiger ist sein großer Eingangs-Störabstand durch einen Low-Pegel VIL= 0,3 * Vcc , womit so stets ein ausreichend großer Störabstand bei Logic Low vorliegt. Damit können ohne weiteres mehrere LTC4315s kaskadiert werden, ohne dass sich der Störabstand verringert - perfekt für große oder rauschbehaftete Systeme. Der LTC4315 kann zusammen mit Bausteinen eingesetzt werden, die mit hoher VOL > 0,4 V arbeiten und solchen, die bei Pegeln < 0,3*VCC das RTAS einschalten. Somit können Systeme gebaut werden, an die beliebige I2C Bausteine angeschlossen werden können. Schlechtes Timing vermeiden In I2C Systemen gibt es zwei wesentliche Timing Probleme. Zum einen wird die Signalanstiegszeit (Slew-Rate) hauptsächlich durch die I2C Bus Pull-up Widerstände bestimmt, die manchmal zu hochohmig sind, wenn kürzere Bus Anstiegszeiten gefordert sind, wie z.B. im Falle der PICMG Spezifikationen. Diese verlangen SCL und SDA Signale mit einer Anstiegszeit von 1 V auf 2,3 V innerhalb von 900 ns bei 2,7 kΩ Pull-up Widerstand nach 3,3 V und einer Lastkapazität von 690 pF. Andererseits können große Buskapazitäten und begrenzte Pull-Up-Ströme die Anstiegszeiten kritisch verlängern bis zu einem Punkt, an dem die maximalen Anstiegszeiten laut den I2C Spezifikation von 1 µs bei 100 kHz oder 300 ns bei 400 kHz nicht eingehalten werden.Figure 1 -----
Figure 2 ----- Alle Grafiken haben eine Zoom-Funktion.
Linear Technology bietet verschiedene Busbuffer mit wählbarer Anstiegszeitbeschleunigung, wie den LTC4315 oder den LTC4311, ein Stand-alone Anstiegszeitbeschleuniger, der einfach parallel an den Bus angehängt wird. Diese autonomen Anstiegszeitbeschleuniger bieten hohe anstiegsbegrenzte Pull-up Ströme, die alle Slew-Rate Anforderungen erfüllen. Die Beschleuniger werden nur während eines positiven Signalanstiegs auf dem Bus automatisch aktiviert, und erhöhen die Anstiegsgeschwindigkeit auf eine bestimmte Rate, welche die Board- und die System Zuverlässigkeit erhöht. Dies geschieht durch einen sanften und kontrollierten Übergang während der Anstiegsflanken. Die Systeme reagieren auch weniger empfindlich auf Störungen bei ansteigenden Flanken, da durch den Beschleuniger die Pull-up Impedanz niedriger ist, als mit den Pull-up Widerständen alleine. Die Beschleuniger ermöglichen damit den Einsatz großer Pull-Ups, was den Stromverbrauch reduziert und den Rauschabstand verbessert. Ein weiteres Timing Problem ist das Hängenbleiben des I2C Bus auf Low. Symptome hierfür sind Kommunikationsprobleme, Daten mit vielen Nullen und ungewöhnliches GUI Verhalten. Das „auf Masse hängen bleiben“ von SCL oder SDA liegt an I2C Bus Bausteinen, die sich fehlerhaft verhalten. Wird das nicht korrigiert, blockiert das auf Low hängende IC alle anderen Teilnehmer am Bus bis das blockierenden IC High Pegel ausgibt. Wenn der Bus auf Low hängt, muss der Host manuell eingreifen, meist durch einen Reset, was aber störend und u.U. teuer ist und Zeit kostet. Das Problem blockierter Busse kann einfach durch den Einsatz von Busbuffern von Linear Technology gelöst werden, die über wählbaren Busschutz verfügen wie der LTC4315, der die SDA und SCL Ausgänge laufend auf einen Low Status von länger als 30 ms überwacht (Bild 3). Tritt dies ein, werden die Eingangs- zu-Ausgangsverbindungen beider I2C Signale unterbrochen, was eine weitere Kommunikation mit den blockierten Bauteilen stoppt. Der Busbuffer generiert bis zu 16 Taktimpulse am SCLOUT Pin um den blockierten lokalen Bus freizugeben. Ist dieser nicht mehr blockiert, oder die 16 Taktimpulse sind durchlaufen, wird ein Stopp Bit erzeugt um den Bus für weitere Kommunikation freizugeben. Auch werden die Eingangs- zu-Ausgangsverbindungen beider I2C Signale wieder hergestellt, aber nur, wenn der Bus im Idle-Modus ist und sich nicht gerade in einer I2C Transaktion befindet. Signalisierung vereinfachen Die 111 physikalischen Adressen des Standard I2C Buses sind meistens ausreichend, größere Systeme jedoch, müssen oft die Kommunikation für mehr als 111 Bauteile ermöglichen. Systemdesigner müssen oft auch Slave Bausteine einsetzen, die nur über wenige Adressen verfügen, was zur Mehrfachbelegung derselben Adresse zwingt (nested addressing). Hier sollten I2C Multiplexer von Linear Technology verwendet werden, um die Mehrfachverwendung von physikalischen I2C Adressen zu ermöglichen. Der bi-direktionalen Natur dieser Multiplexer wegen, können sie auch verwendet werden, um I2C Daten von den Ausgangsbussen zu den Eingangsbussen zu übertragen. Bild 4 zeigt den LTC4314, ein pin-selektierbarer 4:1 I2C Multiplexer, bei dem vier I2C Bausteine unter derselben Adresse laufen. Die einzelnen Enable Pins ermöglichen es dem Anwender auszuwählen, welche Downstream Busse an dem Upstream Bus verwendet werden. Auch ist ein LTC4306 mit 1:4 Software-selektierbarem Multiplexer verfügbar, der in gleicher Weise arbeitet, jedoch per I2C Befehl anstelle von Enable-Pins gesteuert wird. Diese I2C Multiplexer haben integrierte Busbuffer, und so alle Merkmale der Linear Technology Busbuffer wie der große Rauschabstand, die Anstiegszeitbeschleunigung und den Schutz vor Blockieren der Busse. Schlussbemerkung Der über 30 Jahre alte Bus wird noch verbreitet eingesetzt, wogleich die Systeme größer und komplexer werden, was eine Herausforderung an die Spezifikationen und deren Grenzen bedeutet. Designer können bei der Entwicklung die Anforderungen bezüglich elektrischer Probleme und solcher durch Timing und die Signalisierung berücksichtigen, besser ist es aber, durch vorbeugende Maßnahmen die gezeigten Probleme auszuschalten, da man nie weis welche I2C Bauteile letztendlich im System verwendet werden – z.B. nicht konforme I2C ICs oder solche, die den Bus blockieren. Die I2C Spezifikationen kann man sehr einfach einhalten, setzt man von vorne herein die richtige Kombination von I2C Busbuffern, Anstiegszeitbeschleunigern und Multiplexern von Linear Technology ein. Dann kann man auch später ein System ohne Einschränkungen und ohne Verzögerungen erweitern. ----- Autor: Chris Gobok, Product Marketing Engineer, Mixed Signal Products, © Linear TechnologyFigure 3 -----
Figure 4 ----- Alle Grafiken haben eine Zoom-Funktion.
Omron ernennt neuen COO für EMEA und Russland
OMRON Electronic Components Europe ernennt Tomonori Morimura zum neuen Chief Operating Officer mit voller Verantwortung für das Geschäft in Europa, dem Nahen Osten, Afrika und Russland.
Renesas: Ende Mai wieder mit voller Kapazität im feuergeschädigten Chip-Werk
Renesas Electronics plant die derzeit ungenutzte Produktionskapazität im feuergeschädigten Werk (Naka, Japan) bis Ende Mai wieder hochzufahren. Ein Teil der Produktion konnte am 17.April 2021 bereits wieder aufgenommen werden.
Neues Batterie-Projekt landet in Vaasa, Finnland
Seit Montagmorgen (19.04.2021) ist klar; das britische Unternehmen Johnson Matthey (JM) beabsichtigt, eine Fabrik für Batteriematerialien in Vaasa, Finnland, zu errichten.
Weidmüller erwirtschaftet 2020 einen Umsatz von EUR 792 Millionen
Die Weidmüller Gruppe blickt auf ein bewegtes Geschäftsjahr 2020 zurück und zeigt sich mit dem Ergebnis für das Corona-Jahr zufrieden. Weidmüller erzielte 2020 einen Umsatz in Höhe von 792 Millionen Euro.
Zweite Fertigungslinie für MEB-Batterien in Braunschweig angelaufen
Das Volkswagen Group Components Werk in Braunschweig weitet die Produktion von Batteriesystemen für die neueste E-Fahrzeug-Generation deutlich aus. Nach der ersten Ausbaustufe mit einer maximalen Kapazität von 250.000 Batteriesystemen ist nun die zweite Ausbaustufe mit gleicher Kapazität angelaufen.
Anzeige
Wago: Umsatz mit 950 Mio. Euro fast auf Vorjahresniveau
Die WAGO Gruppe hat das Jahr 2020 mit einem Umsatz von 950 Millionen Euro abgeschlossen und liegt damit nur 0,4 Prozent unter dem Vorjahresniveau von 954 Millionen Euro.
Sponsored content by Würth Elektronik eiSos
Vier Tage geballtes Elektronikwissen für Entwickler
Würth Elektronik lädt vom 26.-29. April 2021 jeweils von 8 bis 18 Uhr (MEZ) zur virtuellen Konferenz mit Expertenvorträgen über EMV, Thermal Management, Power Management, Konnektivität und vielen anderen Themen des Schaltungsdesigns ein.
EUR 3,8 Millionen Umsatz für RoodMicrotec in 1Q/2021
RoodMicrotec N.V. verbuchte Gesamteinnahmen für das erste Quartal von EUR 3,8 Millionen. Dies sind 31% höhere Gesamteinnahmen als im ersten Quartal 2020.
Intel will als Zulieferer für Automobilindustrie auftreten
Laut Pat Gelsinger, dem neuen CEO von Intel, ist das Unternehmen bereit, Chips für die Automobilindustrie herzustellen. Damit soll der aktuellen Mangel bekämpft werden.
Schaffner verkauft Power Magnetics Division an die AQ Group
Die Schaffner Holding AG verkauft die Power Magnetics Division an die schwedische AQ Group, einen global tätigen Hersteller von Komponenten und Systemen für industrielle Anwendungen.
Aries Embedded wird Distributor für Topic in DACH
Seit 1. April 2021 ist ARIES Embedded, Spezialist für Embedded-Services und -Produkte, der offizielle Distributor für die TOPIC System-on-Modules (SoM)-Produktfamilie „Miami“ in Deutschland, Österreich und der Schweiz.
Top10 Chiphersteller nach Umsatzzahlen
Der weltweite Umsatz mit Halbleitern belief sich im Jahr 2020 auf USD 466,2 Mrd., was einer Steigerung von 10,4% gegenüber 2019 entspricht. Dies geht aus einer aktuellen Studie des Marktforschers Gartner hervor.
Asahi Kasei Europe nimmt Betrieb an neuem Bürostandort in Düsseldorf auf
Asahi Kasei Europe hat den Bürobetrieb an seinem neuen Standort im Düsseldorfer Hafen aufgenommen. Bereits im März 2021 war der Umzug des Asahi Kasei Europe R&D Center aus Dormagen zum neuen Standort erfolgt.
BMK macht Andreas Schneider zum Geschäftsleiter Vertrieb
Andreas Schneider ist neuer Geschäftsleiter Vertrieb bei BMK. Er werde in dieser Funktion die BMK Business Units leiten, heißt es in einer Mitteilung des Unternehmens. Mit der Ernennung ins Management Board sichere Andres Schneider die konsequente individuelle Kundenausrichtung von BMK.
Renesas nimmt den Betrieb in Naka wieder auf
Laut Renesas hat der Reinraum des N3-Gebäudes (300-mm-Linie) in der Naka-Fabrik am Freitag, dem 9. April, den Betrieb wieder aufgenommen.
Analog Devices und MDA kooperieren zur Verbesserung der globalen Konnektivität
Analog Devices hat die Zusammenarbeit mit MDA bekannt gegeben, um den integrierten Schaltkreis für die Strahlformung zu liefern, der in der Phased-Array-Antenne von MDA für die Telesat Lightspeed Low Earth Orbit (LEO) Satellitenkonstellation zum Einsatz kommen soll.
Lars Ederleh neuer CSO bei Photonics Systems
Die Photonics Systems Group verstärkt ihr Führungsteam mit Lars Ederleh als neuen Chief Sales Officer für die Gruppe mit den Branchenspezialisten InnoLas Solutions GmbH und der L-TRIS GmbH.
MIRTEC mit neuem Vertrieb in der Region DACH
Mit Rui Gésero ernennt MIRTEC GmbH, ein weltweit agierenden Hersteller für Inspektionstechnologie, einen erfahrenen Sales Manager für den deutschsprachigen Raum.
Fanuc investiert in Vorchdorf
Der japanische Spezialist für Industrieroboter FANUC errichtet in Vorchdorf (Oberösterreich) eine neue Vertriebs- und Serviceniederlassung für ganz Österreich.
KAGA FEI Europe und SkyHigh Memory schließen Distributionsvertrag
Im März 2021 haben KAGA FEI Europe und SkyHigh Memory Solutions einen Distributionsvertrag unterzeichnet.
Privatplatzierung über USD 1,3 Mrd. zur refinanzierung der Cypress-Übernahme
Die Infineon Technologies AG hat in den USA erfolgreich eine Privatplatzierung von Anleihen mit einem Volumen von USD 1,3 Mrd. unterzeichnet. Mit dem Emissionserlös werde Infineon bestehende auf US-Dollar lautende Bankdarlehen zur Übernahme der Cypress Semiconductor Corporation ablösen.
Fingerprint Cards etabliert zwei Regionalbüros
Es würden zwei Regionalbüros geschaffen, meldet das Unternehmen: eines in Shanghai, China, und das andere in Zug, Schweiz. Das Büro in Shanghai wird Zentrum für den Geschäftsbereich Mobile, während das Büro in Zug für den Geschäftsbereich Payments & Access verantwortlich sein wird.
Akasol empfiehlt Annahme des Übernahmeangebots
Vorstand und Aufsichtsrat der AKASOL AG haben ihre Stellungnahmen zum freiwilligen öffentlichen Übernahmeangebot der ABBA BidCo AG, einer Tochtergesellschaft der BorgWarner Inc., veröffentlicht. Beide Organe begrüßen und unterstützen das Angebot und empfehlen den AKASOL-Aktionären dessen Annahme.
SK hynix verhandelt Liefervertrag mit Bosch
Das südkoreanische Unternehmen befindet sich Berichten zufolge in Gesprächen mit der deutschen Robert Bosch Gmbh über einen langfristigen Liefervertrag.
Manz AG und GROB kooperieren im Bereich Lithium-Ionen Batteriesysteme
Die Manz AG und die GROB-WERKE GmbH & Co.KG haben eine strategische Kooperation im Bereich Lithium-Ionen Batteriesysteme geschlossen. Im Rahmen der Partnerschaft planen die Unternehmen, innovative Maschinenstandards "made in Europe" zu setzen.
Sunway Communication expandiert in Europa
Ende Februar eröffnete Sunway Communication eine neue Niederlassung in Bettlach in der Region Solothurn in der Schweiz. Die neue Niederlassung ist Teil der Sunway Communication Europe mit Hauptsitz in Stockholm, Schweden.
Weitere Nachrichten