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(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，EEPROM（電可擦可編程只讀存儲(chǔ)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(lái)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?cè)谠O(shè)計(jì)中能為我們帶來(lái)哪些便利和優(yōu)勢(shì)。

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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(chǔ)容量。這些器件內(nèi)部被組織成不同數(shù)量的 16 字節(jié)頁(yè)面，具體為 N24C02 有 16 頁(yè)，N24C04 有 32 頁(yè)，N24C08 有 64 頁(yè)，N24C16 有 128 頁(yè)。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(chǎng)景下對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

功能符號(hào)

產(chǎn)品特性

寬溫度范圍與高可靠性

該系列產(chǎn)品通過(guò)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(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。同時(shí)，它們具有超過(guò) 1,000,000 次的編程/擦除周期和 100 年的數(shù)據(jù)保留時(shí)間，確保了數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)。

低功耗與寬電壓范圍

采用低功耗 CMOS 技術(shù)，工作時(shí)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(jì)帶來(lái)了更大的靈活性。

快速寫入與硬件保護(hù)

具備 16 字節(jié)的頁(yè)面寫入緩沖區(qū)，最大寫入時(shí)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(hù)功能，通過(guò) WP 引腳可以對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫入保護(hù)，防止誤寫入操作。

抗干擾設(shè)計(jì)

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(jí)聯(lián)多個(gè)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(shí)鐘輸入引腳，接收主設(shè)備生成的串行時(shí)鐘信號(hào)。
• WP：寫入保護(hù)輸入引腳，當(dāng)該引腳拉高時(shí)，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(shí)鐘信號(hào)，SDA 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，SDA 線在 SCL 線為高電平時(shí)必須保持穩(wěn)定，SDA 線的電平轉(zhuǎn)換在 SCL 線為高電平時(shí)會(huì)被解釋為起始或停止條件。
• A0、A1、A2：在級(jí)聯(lián)多個(gè)設(shè)備時(shí)，通過(guò)設(shè)置這三個(gè)引腳的電平狀態(tài)，可以為每個(gè)設(shè)備分配唯一的地址，最多可以在同一總線上連接 8 個(gè) N24C02、4 個(gè) N24C04、2 個(gè) N24C08 或 1 個(gè) N24C16 設(shè)備。
• WP：該引腳為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了額外的保護(hù)。當(dāng) WP 引腳拉高時(shí)，整個(gè)存儲(chǔ)器將被保護(hù)，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(duì)最大額定值

在使用該系列產(chǎn)品時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，以避免對(duì)設(shè)備造成損壞。存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65°C 至 + 150°C，任何引腳相對(duì)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(guò) - 1 V 超過(guò) 20 ns，A0、A1、A2 和 WP 引腳的電壓過(guò)沖不應(yīng)超過(guò) $V_{CC}$ + 1 V 超過(guò) 20 ns，$I^{2}C$ 總線引腳（SCL 和 SDA）的電壓不應(yīng)超過(guò)絕對(duì)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(jī)電流、輸入輸出電壓等參數(shù)。交流特性則包括時(shí)鐘頻率、起始條件保持時(shí)間、時(shí)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(gè) N24Cxx 器件都集成了上電復(fù)位（POR）電路，當(dāng) $V{CC}$ 超過(guò) POR 觸發(fā)電平后，設(shè)備將進(jìn)入待機(jī)模式；當(dāng) $V{CC}$ 低于 POR 觸發(fā)電平時(shí)，設(shè)備將進(jìn)入復(fù)位模式。這種雙向的 POR 功能可以有效保護(hù)設(shè)備，防止因臨時(shí)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(guò)上拉電阻連接到 $V_{CC}$。主設(shè)備和從設(shè)備通過(guò)各自的 SCL 和 SDA 引腳連接到總線。數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)主設(shè)備生成的起始和停止條件來(lái)控制，起始條件是 SCL 為高電平時(shí) SDA 從高到低的轉(zhuǎn)換，停止條件是 SCL 為高電平時(shí) SDA 從低到高的轉(zhuǎn)換。

設(shè)備尋址

主設(shè)備通過(guò)在總線上創(chuàng)建起始條件來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，然后廣播一個(gè) 8 位的串行從設(shè)備地址。對(duì)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(lái)的 3 位用于級(jí)聯(lián)多個(gè)設(shè)備時(shí)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(jī)制

從設(shè)備在處理完從設(shè)備地址后，會(huì)在第 9 個(gè)時(shí)鐘周期通過(guò)拉低 SDA 線來(lái)響應(yīng)一個(gè)應(yīng)答（ACK）信號(hào)。在寫入模式下，從設(shè)備會(huì)對(duì)地址字節(jié)和每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行應(yīng)答；在讀取模式下，從設(shè)備會(huì)移出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，然后在第 9 個(gè)時(shí)鐘周期釋放 SDA 線。主設(shè)備通過(guò)是否應(yīng)答數(shù)據(jù)來(lái)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(chǔ)器。
• 頁(yè)面寫入：頁(yè)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。從設(shè)備在每個(gè)字節(jié)傳輸后都會(huì)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(guò) 16 個(gè)字節(jié)，地址計(jì)數(shù)器將回繞到頁(yè)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(cè)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(jìn)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(jìn)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(qǐng)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(jī)模式。
• 選擇性讀取：主設(shè)備先進(jìn)行一個(gè) “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(qǐng)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(huì)話中，如果主設(shè)備應(yīng)答第一個(gè)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(wú)應(yīng)答（NoACK）并隨后發(fā)送停止條件。與頁(yè)面寫入不同，順序讀取時(shí)地址計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)遞增并在存儲(chǔ)器末尾回繞。

訂購(gòu)信息

該系列產(chǎn)品提供了不同的訂購(gòu)選項(xiàng)，包括不同的溫度范圍和包裝類型。例如，N24C02 有工業(yè)級(jí)（- 40°C 至 + 85°C）和汽車級(jí)（- 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(gè)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(chǔ)設(shè)計(jì)方面提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是工業(yè)控制、汽車電子還是其他對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有需求的應(yīng)用場(chǎng)景，這些器件都能發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的型號(hào)，并嚴(yán)格按照其電氣特性和操作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保設(shè)備的正常工作。你在使用 EEPROM 時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。