深入解析 N24C02/04/08/16：高性能 $I^{2}C$ CMOS 串行 EEPROM

在電子設(shè)備設(shè)計中，數(shù)據(jù)存儲是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）因其非易失性和可重復(fù)編程的特性，成為了眾多應(yīng)用的理想選擇。今天，我們就來深入探討 ON Semiconductor 推出的 N24C02/04/08/16 系列 $I^{2}C$ CMOS 串行 EEPROM，看看它們在設(shè)計中能為我們帶來哪些便利和優(yōu)勢。

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產(chǎn)品概述

N24C02/04/08/16 是一系列支持 $I^{2}C$ 協(xié)議的 EEPROM 器件，分別提供 2Kb、4Kb、8Kb 和 16Kb 的存儲容量。這些器件內(nèi)部被組織成不同數(shù)量的 16 字節(jié)頁面，具體為 N24C02 有 16 頁，N24C04 有 32 頁，N24C08 有 64 頁，N24C16 有 128 頁。它們支持標(biāo)準(zhǔn)（100 kHz）、快速（400 kHz）和快速 +（1 MHz）三種 $I^{2}C$ 協(xié)議模式，能滿足不同應(yīng)用場景下對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

功能符號

產(chǎn)品特性

寬溫度范圍與高可靠性

該系列產(chǎn)品通過了汽車 AEC - Q100 Grade 1 認(rèn)證，工作溫度范圍為 - 40°C 至 + 125°C，適用于工業(yè)和汽車等對可靠性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。同時，它們具有超過 1,000,000 次的編程/擦除周期和 100 年的數(shù)據(jù)保留時間，確保了數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定存儲。

低功耗與寬電壓范圍

采用低功耗 CMOS 技術(shù)，工作時功耗較低。供電電壓范圍為 1.7 V / 1.6 V 至 5.5 V，能適應(yīng)不同的電源系統(tǒng)，為設(shè)計帶來了更大的靈活性。

快速寫入與硬件保護

具備 16 字節(jié)的頁面寫入緩沖區(qū)，最大寫入時間僅為 4 ms，提高了數(shù)據(jù)寫入效率。此外，還提供了硬件寫入保護功能，通過 WP 引腳可以對整個存儲器進行寫入保護，防止誤寫入操作。

抗干擾設(shè)計

在 $I^{2}C$ 總線輸入（SCL 和 SDA）上集成了施密特觸發(fā)器和噪聲抑制濾波器，有效提高了總線的抗干擾能力，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

引腳配置與功能

引腳配置

該系列產(chǎn)品采用 US 8 - 引腳封裝，引腳配置清晰明確。各引腳功能如下：

• A0、A1、A2：設(shè)備地址輸入引腳，用于設(shè)置設(shè)備地址，方便在同一總線上級聯(lián)多個設(shè)備。
• SDA：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，用于數(shù)據(jù)的傳輸。
• SCL：串行時鐘輸入引腳，接收主設(shè)備生成的串行時鐘信號。
• WP：寫入保護輸入引腳，當(dāng)該引腳拉高時，禁止所有寫入操作。
• Vcc：電源引腳，提供設(shè)備工作所需的電源。
• Vss：接地引腳。
• NC：未連接引腳。

引腳功能詳解

• SCL 和 SDA：作為 $I^{2}C$ 總線的核心引腳，SCL 提供時鐘信號，SDA 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，SDA 線在 SCL 線為高電平時必須保持穩(wěn)定，SDA 線的電平轉(zhuǎn)換在 SCL 線為高電平時會被解釋為起始或停止條件。
• A0、A1、A2：在級聯(lián)多個設(shè)備時，通過設(shè)置這三個引腳的電平狀態(tài)，可以為每個設(shè)備分配唯一的地址，最多可以在同一總線上連接 8 個 N24C02、4 個 N24C04、2 個 N24C08 或 1 個 N24C16 設(shè)備。
• WP：該引腳為數(shù)據(jù)存儲提供了額外的保護。當(dāng) WP 引腳拉高時，整個存儲器將被保護，防止意外的寫入操作，確保數(shù)據(jù)的安全性。

電氣特性

絕對最大額定值

在使用該系列產(chǎn)品時，需要注意其絕對最大額定值，以避免對設(shè)備造成損壞。存儲溫度范圍為 - 65°C 至 + 150°C，任何引腳相對于地的電壓范圍為 - 0.5 V 至 + 6.5 V。在輸入轉(zhuǎn)換期間，任何引腳的電壓下沖不應(yīng)超過 - 1 V 超過 20 ns，A0、A1、A2 和 WP 引腳的電壓過沖不應(yīng)超過 $V_{CC}$ + 1 V 超過 20 ns，$I^{2}C$ 總線引腳（SCL 和 SDA）的電壓不應(yīng)超過絕對最大額定值。

直流和交流特性

該系列產(chǎn)品的直流和交流特性詳細(xì)規(guī)定了其在不同工作條件下的性能指標(biāo)。例如，在不同的電源電壓和溫度范圍內(nèi)，規(guī)定了讀取電流、寫入電流、待機電流、輸入輸出電壓等參數(shù)。交流特性則包括時鐘頻率、起始條件保持時間、時鐘低電平周期等，這些參數(shù)確保了設(shè)備在 $I^{2}C$ 總線上的正常通信。

工作模式與操作流程

上電復(fù)位（POR）

每個 N24Cxx 器件都集成了上電復(fù)位（POR）電路，當(dāng) $V{CC}$ 超過 POR 觸發(fā)電平后，設(shè)備將進入待機模式；當(dāng) $V{CC}$ 低于 POR 觸發(fā)電平時，設(shè)備將進入復(fù)位模式。這種雙向的 POR 功能可以有效保護設(shè)備，防止因臨時掉電導(dǎo)致的 “欠壓” 故障。

$I^{2}C$ 總線協(xié)議

$I^{2}C$ 總線由 SCL 和 SDA 兩條線組成，通過上拉電阻連接到 $V_{CC}$。主設(shè)備和從設(shè)備通過各自的 SCL 和 SDA 引腳連接到總線。數(shù)據(jù)傳輸通過主設(shè)備生成的起始和停止條件來控制，起始條件是 SCL 為高電平時 SDA 從高到低的轉(zhuǎn)換，停止條件是 SCL 為高電平時 SDA 從低到高的轉(zhuǎn)換。

設(shè)備尋址

主設(shè)備通過在總線上創(chuàng)建起始條件來啟動數(shù)據(jù)傳輸，然后廣播一個 8 位的串行從設(shè)備地址。對于正常的讀寫操作，從設(shè)備地址的前 4 位固定為 1010（Ah），接下來的 3 位用于級聯(lián)多個設(shè)備時的可編程地址位或內(nèi)部地址位，最后一位 R/W 用于指定是讀（1）還是寫（0）操作。

應(yīng)答機制

從設(shè)備在處理完從設(shè)備地址后，會在第 9 個時鐘周期通過拉低 SDA 線來響應(yīng)一個應(yīng)答（ACK）信號。在寫入模式下，從設(shè)備會對地址字節(jié)和每個數(shù)據(jù)字節(jié)進行應(yīng)答；在讀取模式下，從設(shè)備會移出一個數(shù)據(jù)字節(jié)，然后在第 9 個時鐘周期釋放 SDA 線。主設(shè)備通過是否應(yīng)答數(shù)據(jù)來控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束。

讀寫操作

寫入操作

• 字節(jié)寫入：主設(shè)備發(fā)送起始條件和 R/W 位為 0 的從設(shè)備地址，從設(shè)備應(yīng)答后，主設(shè)備發(fā)送要寫入的字節(jié)地址，再次收到從設(shè)備應(yīng)答后，主設(shè)備發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。從設(shè)備應(yīng)答數(shù)據(jù)字節(jié)后，主設(shè)備生成停止條件，設(shè)備開始內(nèi)部寫入周期將數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲器。
• 頁面寫入：頁面寫入操作與字節(jié)寫入操作類似，但主設(shè)備可以連續(xù)發(fā)送最多 16 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。從設(shè)備在每個字節(jié)傳輸后都會應(yīng)答，并內(nèi)部遞增低 4 位地址。如果主設(shè)備在發(fā)送停止條件之前發(fā)送超過 16 個字節(jié)，地址計數(shù)器將回繞到頁面開頭，之前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將被覆蓋。
• 應(yīng)答輪詢：應(yīng)答輪詢用于檢測設(shè)備是否完成內(nèi)部寫入操作。主設(shè)備在發(fā)送停止條件后，可以立即發(fā)起應(yīng)答輪詢，發(fā)送起始條件和寫操作的從設(shè)備地址。如果設(shè)備仍在進行寫入操作，將返回?zé)o應(yīng)答（NoACK）；如果設(shè)備完成寫入操作，將返回應(yīng)答（ACK），主設(shè)備可以繼續(xù)進行下一次讀寫操作。

讀取操作

• 立即讀取：主設(shè)備發(fā)送 R/W 位為 1 的從設(shè)備地址，從設(shè)備將其解釋為讀取當(dāng)前字節(jié)地址數(shù)據(jù)的請求。從設(shè)備應(yīng)答從設(shè)備地址后，立即移出當(dāng)前地址的數(shù)據(jù)，等待主設(shè)備響應(yīng)。如果主設(shè)備不應(yīng)答數(shù)據(jù)并發(fā)送停止條件，從設(shè)備將返回待機模式。
• 選擇性讀取：主設(shè)備先進行一個 “虛擬” 寫入操作，發(fā)送起始條件、從設(shè)備地址和要讀取的字節(jié)地址。從設(shè)備應(yīng)答字節(jié)地址后，主設(shè)備重新發(fā)送起始條件和 R/W 位為 1 的從設(shè)備地址，從設(shè)備應(yīng)答并發(fā)送請求的數(shù)據(jù)字節(jié)。主設(shè)備不應(yīng)答數(shù)據(jù)但生成停止條件。
• 順序讀取：在讀取會話中，如果主設(shè)備應(yīng)答第一個數(shù)據(jù)字節(jié)，從設(shè)備將繼續(xù)傳輸后續(xù)地址的數(shù)據(jù)，直到主設(shè)備發(fā)送無應(yīng)答（NoACK）并隨后發(fā)送停止條件。與頁面寫入不同，順序讀取時地址計數(shù)器會自動遞增并在存儲器末尾回繞。

訂購信息

該系列產(chǎn)品提供了不同的訂購選項，包括不同的溫度范圍和包裝類型。例如，N24C02 有工業(yè)級（- 40°C 至 + 85°C）和汽車級（- 40°C 至 + 125°C）兩種溫度范圍可供選擇，包裝類型為 US - 8 引腳封裝，采用卷帶包裝，每卷 3000 個單位。

總結(jié)

N24C02/04/08/16 系列 $I^{2}C$ CMOS 串行 EEPROM 以其豐富的特性、靈活的操作模式和良好的可靠性，為電子工程師在數(shù)據(jù)存儲設(shè)計方面提供了一個優(yōu)秀的解決方案。無論是工業(yè)控制、汽車電子還是其他對數(shù)據(jù)存儲有需求的應(yīng)用場景，這些器件都能發(fā)揮出其優(yōu)勢。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的型號，并嚴(yán)格按照其電氣特性和操作流程進行設(shè)計，以確保設(shè)備的正常工作。你在使用 EEPROM 時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。