ЭФО предлагает со своего склада новую серию преобразователей интерфейсов USB UART компании FTDI FT232RNL-REEL

Активная подтяжка шины I2C экономит энергию

ON Semiconductor 2N4403 MMBT2369A

Популярный коммуникационный стандарт I2C позволяет осуществлять гибкий последовательный ввод/вывод с помощью простой двухпроводной шины: SCL и SDA. Этот трюк достигается с помощью двунаправленных линий синхронизации и данных. Двунаправленный поток хорош для экономии контактов, но из-за использования пассивных подтягивающих резисторов он не так хорош для экономии энергии. Сопротивления резисторов подтяжки должны быть выбраны достаточно низкими (и, следовательно, пропускать достаточный ток), чтобы заряжать паразитную емкость шины со скоростью, определяемой выбранной скоростью передачи данных. Рисунок 1 иллюстрирует эту неудобную арифметику.

Критерии выбора литиевых аккумуляторов и батареек: что необходимо учитывать разработчикам

Скорость шины I2C обратно пропорциональна максимальному эффективному сопротивлению подтяжки. Источник [1].
Рисунок 1. Скорость шины I2C обратно пропорциональна максимальному
эффективному сопротивлению подтяжки. (Источник [1]).

Величина потребляемого тока V/R и мощности V2/R, расходуемой на пассивное «подтягивание», зависят от емкости шины, напряжения подтяжки и рабочей частоты и, как показано на Рисунке 1, для быстрого режима 400 кГц при напряжении шины 5 В и емкости шины CB = 400 пФ могут достигать 5 В/1 кОм = 5 мА и 52/1 кОм = 25 мВт. Это может легко составлять значительную часть общего энергопотребления системы. Это плохо для батарей и плохо для политкорректности в эпоху «зелености» и «экологической безопасности».

Так как же сэкономить часть этого избыточного тока и мощности? На Рисунке 2 представлен один из способов: активная подтяжка со значениями номиналов, выбранными для наихудшего случая, показанного на Рисунке 1 – высокая скорость (400 кГц) и большая емкость (400 пФ).

Регенеративная схема активной подтяжки (одна из двух необходимых) с номиналами компонентов, выбранными для наихудшей комбинации, показанной на Рисунке 1.
Рисунок 2. Регенеративная схема активной подтяжки (одна из двух
необходимых) с номиналами компонентов, выбранными
для наихудшей комбинации, показанной на Рисунке 1.

Эта топология схемы, простая, учитывая, что ее основной целью была экономия мощности подтяжки, начинается с не обещающей ничего хорошего ноты – пассивного подтягивающего резистора R1. Как все это работает, показано на Рисунке 3.

Диаграммы сигналов активной подтяжки и 4-этапная последовательность, обозначенная на изображении.
Рисунок 3. Диаграммы сигналов активной подтяжки и 4-этапная
последовательность, обозначенная на изображении.

Процесс активного подтягивания происходит в четыре этапа.

  1. Освобождение соответствующей сигнальной линии шины (т. е. SCL или SDA) позволяет резистору R1 начать пассивную подтяжку и заряжать емкость шины. Обусловленное этим нарастание напряжения происходит медленно, поскольку сопротивление R1 более чем в 4 раза больше, чем 1 кОм – значения, рассчитанного в соответствии с требованиями Рисунка 1. Очевидно, что нарастание никогда не закончится достаточно быстро!
     
  2. Но подождите: результирующий сигнал подается через конденсатор C1 в базу Q2. Следовательно, на этапе 2 процесса транзистор Q2 открывается, забирая с собой также Q1 и образуя очень быструю петлю положительной обратной связи, которая вводит оба транзистора в насыщение и завершает зарядку емкости шины за десятки наносекунд, устраняя падение напряжения на резисторе R1, в результате чего потребление им энергии прекращается.
     
  3. Очень небольшая постоянная времени конденсатора C1 емкостью 22 пФ, работающего на сопротивление базы транзистора Q2, быстро разряжает C1 и прекращает управление транзисторами, позволяя им начать выключение и прекратить активную подтяжку. Это дает транзисторам Q1 и Q2 время на восстановление после насыщения.
     
  4. Подтягивание к земле запускает следующий цикл активности шины и перезаряжает конденсатор C1 через диод D1, который также защищает транзистор Q2, максимально допустимое обратное напряжение база-эмиттер которого ограничено значением всего 4.5 В.

Таким образом, наша притча о бережном отношении к мощности подтяжки получила счастливый конец: экономия энергии составляет около 75% от требуемой в противном случае, причем без необходимости изменения программного обеспечения.

Ссылка

  1. Texas Instruments Application Report SLVA689

Материалы по теме

  1. Datasheet ON Semiconductor 2N4403
  2. Datasheet ON Semiconductor MMBT2369A

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: I2C active pullup is power thrifty

58 предложений от 27 поставщиков
Транзисторы биполярные.Тип проводимости: PNPМаксимальное напряжение КЭ (Vceo), В: -40Максимальное напряжение КБ (Vcbo), В: -40Максимальное напряжение ЭБ (Vebo), В: -5Напряжение насыщения КЭ...
2N4403BU
Fairchild
0.54 ₽
AliExpress
Весь мир
Новый 2N2222 2N2907 2N3904 2N3906 2N4401 2N4403 2N5087 2N5088 2N5089 2N5401 2N5551 2N7000 TO-92
0.86 ₽
Akcel
Весь мир
2N4403RLRAG
ON Semiconductor
от 2.10 ₽
Триема
Россия
2N4403
3.00 ₽
Электронные компоненты. Летние скидки и кэшбэк от ТМ Электроникс
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Я только одного не понял, а за счет чего экономия-то?! разве на Q2 не рассеивается энергия?! Разве R3+R2 не больший ток потянут, когда Q2 откроется?!
  • Рассеится, но Q2 открыт очень короткое время. R3+R2 дейтсвительно выглядят слишком малого номинала, но даже так схема будет экономичней чем просто подтяжка 1к, а фронты резче. Однако есть и минус - при наличии помехи около 0.6В Q1 будет ею открываться, что приведет к ошибкам передачи.