应用笔记 4342

DS2433设计转变为DS24B33 4Kb 1-Wire® EEPROM


摘要 : DS24B33 1-Wire EEPROM用来替代比它“年长”12年的DS2433。总的来说,DS24B33与DS2433引脚兼容,可直接代替DS2433。然而,在已有设计中将旧器件更换成新器件时,两个器件之间的确存在一些微小差异,需要设计人员谨慎考虑。本文讨论了器件性能、特性、工作条件方面的差异,以及这些差异对设计的影响。此外,文章重点介绍了新器件中的一些增强功能。

引言

DS24B33DS2433的替代产品,采用更新的半导体技术。总的来说,DS24B33与DS2433引脚兼容,可直接代替DS2433;两个器件均具有1-Wire接口和4Kb EEPROM,EEPROM划分为16页,每页32字节。然而,新一代半导体技术使得器件在性能、特性以及工作条件等方面出现一些不可避免的变化。性能、特性变化不一定会对使用DS24B33的现有设计造成不利影响。本文详细讨论了这些变化的影响,帮助设计者评估这些变化是否对现有设计造成障碍。本文分析了参数变化,并给出了修改现有设计的建议。

性能和特性变化

  1. 读操作低电平持续时间
    说明:该参数规定了主控器件在一个读时隙开始时必须将1-Wire拉低的持续时间。该持续时间必须足够长,直到1-Wire从器件以逻辑0响应总线,将总线拉低。

    摘自DS2433数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    tLOWR
    Standard speed
    1
     
    15
    µs
    8
    Overdrive speed
    1
     
    2
    注8: 主控器件发出的低电平脉冲持续时间至少为1µs ,最大值应尽可能小,使上拉电阻能够在1-Wire器件采样之前(写1时间)或在主控器件采样之前(读1时间)接管总线。

    摘自DS24B33数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    tRL
    Standard speed
    5
     
    15-δ
    µs
    2, 17
    Overdrive speed
    1
     
    2-δ
    注2: 系统要求。
    注17: δ表示上拉电路将IO电压从VIL上拉至总线主控制器输入高电平门限所需要的时间。主控制器将总线拉低的实际最大持续时间为tRLMAX + tF

    影响:标准速度下,为改进网络性能在1-Wire前端增加了低通滤波,这也增大了响应时间,但不影响最大指标限值。为保证数学计算正确,引入了“δ”代表上限,与实际应用的上升时间有关。注意,网络性能的改进也影响了“写1”时低电平持续时间(分别为tLOW1和tW1L)的最小值,DS24B33的最小值为5µs,DS2433为1µs。通常情况下,主控制器以“写1”时隙相同的方式产生读数据时隙。因此,更新固件满足DS24B33的tRL要求即为以正确方式更新“写1”时隙的定时。

    措施:验证1-Wire主控满足DS24B33要求。如果不满足下限,主控器件可能在从器件拉低总线之前停止拉低总线,从而在1-Wire信号线上产生尖峰脉冲。在多个从器件的网络中,尖峰脉冲会导致其它从器件失去与主控器件的同步。如果是单点网络,这种潜在的尖峰脉冲不太可能影响通信。

  2. 恢复时间
    说明:该参数规定1-Wire从器件恢复其寄生电源并准备好下一操作(时隙或复位/在线检测过程)时隙之间的最小空闲时间(高电平时间)。持续时间必须足以补充前一操作消耗的能量,并为下一操作积累能量。由于复位/在线检测过程大于一个时隙,寄生电源必须充满电,以便器件产生满足定时指标的应答脉冲。恢复时间会影响有效的1-Wire数据速率,数据速率为1/tSLOT。注意,DS2433数据资料的时隙定义不包括恢复时间。

    摘自DS2433数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    tREC
    Standard speed
    1
       
    µs
     
    Overdrive speed
    1
       

    摘自DS24B33数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    tREC
    Standard speed
    5
       
    µs
    2, 13
    Overdrive speed
    2
       
    VPUP ≥ 4.5V
    1
       
    Directly prior to reset pulse ≤ 640µs
    5
       
    Directly prior to reset pulse > 640µs
    10
       
    注2: 系统要求。
    注13: 1-Wire总线挂接单个DS24B33。

    影响:DS2433数据资料未说明参数测试条件。如果应用中的恢复时间太短,写0时隙会造成1-Wire从器件操作“断电”,并与主器件失去同步。电源电压不足时,可能不满足与从器件相关的时序指标(即不是系统要求的指标),导致工作不可靠。

    措施:验证1-Wire主控满足DS24B33要求。注意,数据资料中要求提供一个最大2.2kΩ的上拉电阻,且为单个从器件网络。对于多个从器件的网络,恢复时间更长。如果应用中的上拉电阻大于2.2kΩ,请更换电阻。请参见本文上拉电阻部分的推荐值。更多指南,请参见应用笔记3829:“确定多从机1-Wire®网络的恢复时间”。

  3. 编程电流
    说明:该参数定义为1-Wire EEPROM从其暂存器复制数据所需要的电流。为确保写操作期间可靠编程,1-Wire信号线上的电压V(IO)不得低于规定的门限(VPUPMIN = 2.8V)。上电电阻的压降计算为ΔV = RPUP × IPROG。因此,1-Wire总线上的电压为V(IO) = (VPUP - ΔV),且在编程期间任何时候不得低于2.8V。在只读1-Wire EEPROM应用中,编程电流指标无关紧要。

    摘自DS2433数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    ILPROG
       
    500
     
    µA
    5
    注5: Copy Scratchpad需要最长5ms的时间,期间1-Wire总线电压不得低于2.8V。

    摘自DS24B33数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    IPROG
         
    2
    mA
    18
    注18: EEPROM编程期间从IO吸收的电流。IO上拉电路应使IO电压在编程期间大于或等于VPUPMIN。如果系统中的VPUP接近于VPUPMIN,则可能需要增加一个RPUP低阻旁路,编程期间将其激活。

    影响:DS2433数据资料仅规定了典型值;DS24B33则规定了最大编程电流。为确保满足2.8V最小值要求,需要知道最大编程电流。如果上拉电压接近其指标下限,满足最小电压要求尤其重要。例如:为了在5V环境下满足2.8V最小值要求,上拉电阻必须为RPUP ≤ (5.0V - 2.8V)/2mA = 1100Ω。

    措施:如果对DS24B33进行写操作,则检查是否满足2.8V最低电压工作条件(VPUPMIN),以获得最大编程电流。尤其对于接近3.3V的VPUP,上拉电阻需要一个可切换的低阻旁路,详细信息请参考应用笔记4255:“为1-Wire®器件的扩展功能供电”,或应用笔记4206:“为嵌入式应用选择合适的1-Wire®主机”。

  4. 输入负载电流
    说明:该参数规定在没有通信操作时,1-Wire从器件从1-Wire总线吸收的电流。此时,寄生电源已完全充满。不同器件之间的输入负载电流不同。输入负载电流产生的上拉电阻压降计算公式为:ΔV = RPUP × IL

    摘自DS2433数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    IL
       
    5
     
    µA
    4
    注4: 输入负载至地。

    摘自DS24B33数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    IL
    IO at VPUPMAX
    0.05
     
    5
    µA
     
    注4: 输入负载至地。

    影响:DS2433数据资料仅规定了典型值。DS24B33数据资料规定了最小值和最大值。

    措施:由于最大值与DS2433典型值相同,该参数完全兼容于DS2433应用,无需采取措施。

  5. 输入电容
    说明:该参数规定1-Wire器件寄生电源的电容值,通常,该数值为600pF至800pF。如果寄生电源完全放电,则需要一定的空闲时间重新充电补充能量,使1-Wire做好通信准备。器件上电时,通常具有足够的空闲时间。正常工作期间,只为部分寄生电容重新充电。

    摘自DS2433数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    CIN/OUT
    TA = +25°C  
    100
    800
    pF
    6
    注6: 首次加电时,数据引脚的电容可为800pF。如果使用5kΩ电阻将数据线上拉至VPUP,在向寄生电容加电后5µs将不影响正常通信。

    摘自DS24B33数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    CIO
    TA = -40°C to +85°C  
    2000
     
    pF
    5, 6
    注5: 首次施加VPUP时,数据引脚的电容为2500pF。如果使用2.2kΩ电阻上拉数据线,向寄生电容施加VPUP后15µs将不影响正常通信。
    注6: 仅由设计、特征参数和/或仿真保证,无生产测试。

    影响:由于DS24B33需要的编程电流高于DS2433,它所要求的寄生供电电容明显大于DS2433。由此降低了给定1-Wire主控制器能够驱动的从器件数量。对于DS2433工作裕量很小的应用(低VPUP、高RPUP、短tREC),可能不能使用DS24B33。

    措施:为了解决DS24B33高输入电容的问题,有必要选择较低的1-Wire上拉电阻,或使用专用的1-Wire主控器件,例如DS2480B。对于低上拉电压的应用,电阻上拉接口可能必须采用有源上拉驱动代替,例如DS2482

工作条件变化

  1. 上拉电压
    说明:该参数规定1-Wire工作电压。上限为1-Wire器件在没有应力、无时间限制情况下IO引脚可承受的电压。

    摘自DS2433数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    VPUP
    TA = -40°C to +85°C
    2.8
     
    6
    V
    1
    注1: VPUP = 外部上拉电压。

    摘自DS24B33数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    VPUP
    TA = -40°C to +85°C
    2.8
     
    5.25
    V
    2, 3
    注2: 系统要求。
    注3: 工作在接近最低电压(2.8V)时,建议下降沿摆率为15V/µs或更快。

    影响:由于采用新一代半导体工艺,DS24B33可承受的最大值低于DS2433。由于大多数应用工作在5V ±5%或更低,这一变化应该不是问题。

    措施:如果实际应用工作在6V ±5%,则降低上拉电压。例如,将一个或两个通用的硅二极管与上拉电阻串联。二极管大约0.7V的导通压降可降低1-Wire电压,实现安全工作。

  2. 上拉电阻
    说明:该参数规定1-Wire上拉电阻的允许范围。如果电阻过大,没有足够时间为1-Wire从器件的寄生电源重新充电;如果电阻值过小,可能不满足最大VIL指标。

    摘自DS2433数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    RPUP
           
     

    DS2433数据资料在电气特性表中未明确给出RPUP,但给出了一些文字指导。DS2433数据资料图8中的文字规定单点网络的指标:“读操作为5kΩ,VPUP ≥ 4V时写操作为2.2kΩ。根据1-Wire通信速率和总线负载特性,上拉电阻优化在1.5kΩ至5kΩ范围”。

    摘自DS24B33数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    RPUP
     
    0.3
     
    2.2
    2, 4
    注2: 系统要求。
    注4: 最大允许上拉电阻是系统中1-Wire器件数量、1-Wire恢复时间以及EEPROM编程所需电流的函数。此处给出的数值适用于只有一个器件、具有最小1-Wire恢复时间的系统。对于负载较重的系统,可能需要有源上拉,例如DS2482-x00或DS2480B。

    影响:相对于DS2433数据资料,DS24B33数据资料给出了关于上拉电阻范围的详细信息。DS24B33的上限符合tREC测试条件。下限不会对5V ±5%环境下的DS24B33造成应力。然而,在最差工作条件下(即DS24B33的输出晶体管阻抗 = VOLMAX/4mA = 100Ω),DS24B33拉低1-Wire总线时,所产生的VOL值为:100Ω/(100Ω + 300Ω) × VPUP。为满足其它1-Wire从器件和主控器件的最大VIL要求,2.8V下最小、最安全的RPUP值为600Ω。

    措施:检查应用中的上拉电阻。如果上拉电阻高于2.2kΩ,则用较小的电阻代替它,或使用不同的1-Wire主控器件。更多建议请参见输入电容部分。

技术改进

  1. EEPROM使用寿命
    说明:该参数规定EEPROM单元在给定温度下可承受的无差错写次数。通常情况下,使用寿命远远高于给出的最小值。

    摘自DS2433数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    NCYCLE
    TA = +25°C
    VPUP = 5.0V
    50k
         
    7
    注7: 执行Copy Scratchpad命令期间,DS2433自动擦除要写入的存储器。总线主控器件无需采取其它步骤。

    摘自DS24B33数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    NCY
    At +25°C
    200k
         
    20, 21
    At +85°C
    50k
       
    注20: 当TA升高时,有效的写次数会降低。
    注21: 未进行100%生产测试;由可靠性抽样监测保证。

    影响:+25°C时,DS24B33至少是DS2433的4倍。未给出DS2433在+85°C时的使用寿命。

  2. EEPROM数据保持
    说明:该参数规定存储器没有重新写入数据(刷新)时,能够保持数据完整性的时间。通常情况下,数据保持时间远远大于所给定的最小值。

    摘自DS2433数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    tDR
           
    Years
     
    没有规定。

    摘自DS24B33数据资料
    SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS NOTES
    tDR
    At +85°C
    40
       
    Years
    22, 23, 24
    注22: TA升高时,数据保持时间下降。
    注23: 短时间内,100%高温生产测试保证;该生产测试等效于数据资料中的工作温度范围,这些数据是在可靠性测试中确定的。
    注24: 超出数据保持时间后,或许不能正常写入EEPROM。不建议长时间储存在高温下,+125°C下储存10年或+85°C下储存40年后,器件可能丧失写能力。

    影响:DS24B33满足当前工业标准。

  3. ROM功能“Resume”
    说明:与许多新推出的1-Wire从器件一样,DS24B33支持网络功能命令Resume。一旦通过Match ROM、Search ROM或Overdrive Match ROM成功选中DS24B33,Resume命令即允许再次读/写相同器件,无需指定64位注册码。

    影响:对于存在多个从器件的网络,Resume能够减轻多次读/写同一器件的通信开销,例如,随机读取存储器或更新存储器数据。DS24B33支持该命令,DS2433则不支持该命令,所以应用中可据此在电气特性上区分这两个部件。

  4. 1-Wire前端
    说明:前端是芯片内部支持访问器件资源(例如存储器)通信协议的电路。前端决定了在嘈杂环境下通信波形的定时容差和1-Wire从器件的性能。

    影响:类似于多种新型1-Wire从器件,DS24B33前端支持滞回切换门限(参见数据资料,参数VTH和VHY),有助于提高多点网络的性能。独立微调振荡器,控制DS24B33的通信时基。与传统1-Wire从器件相比,这样形成的通信时隙更精准,对电压和温度的依赖性更小。

  5. E/S寄存器
    说明:该寄存器是暂存器逻辑的一部分,写暂存器时用于跟踪终止偏移量,并可提供状态信息,例如:字节不完整、电源故障(PF标记)、Copy Scratchpad命令是否接受(AA标记)。AA标记对基于NV SRAM的iButtons®非常重要,但对整个寄生供电的1-Wire器件(例如EEPROM)并不特别关键。

    影响:对于原先的DS2433,AA标记在上电时未定义状态。对于DS24B33,该标记在上电时被清零。尽管在DS24B33中改善了功能,但AA标记不应作为编程是否成功的主要指示。

DS2433和DS24B33编程

在硬件连接中,两款器件的操作完全一致,可相互替代。对于不可靠的1-Wire连接(例如,所谓的触控环境),或可能发生低于VPUPMIN电压(例如,电池电量过低时)时,以下方法可确保可靠编程。
  1. 读取所更新的整个页面,确保在Copy Scratchpad命令失败的情况下仍然知道原先的数据,用于恢复页面数据。
  2. 即使只有少数几个连续字节需要修改,也对整个页面进行写操作。
  3. Copy Scratchpad结束时,总是检查成功字节(交替的0–1码型,等效于AAh)。
  4. Copy Scratchpad命令之后,总是读回被更新的EEPROM页。
如果成功字节为AAh,EEPROM页面数据显示新数据,说明写操作成功。无需采取其它措施。

在其他任何情况下(EEPROM页面数据不匹配、成功字节不是AAh),依次重复Write Scratchpad、Copy Scratchpad,直到成功。这种方法对于DS2433和DS24B33都很可靠。已经采用这种方式的现有软件完全兼容DS24B33。

总结

DS24B33是DS2433 1-Wire EEPROM的新一代产品。为了保证软件的向下兼容性,DS24B33支持节省时间的Resume网络功能,具有更严格的1-Wire时隙容限,并提供带有滞回的切换点。新型EEPROM单元结构具有更长的使用寿命(可重复擦除/写入的次数更多),达到至少200k次;而DS2433的重复写次数只有50k次。DS24B33所需要的编程电流大于前者。根据工作电压的不同,可能需要修改对DS24B33进行写操作的1-Wire主控器件电路。