设计指南 4255

为1-Wire®器件的扩展功能供电


摘要 : 1-Wire总线能够在一条连线上提供主机与从机器件之间的通信以及从机供电。某些1-Wire器件具有扩展功能,包括EEPROM、温度测量和SHA-1引擎。这些特殊功能在工作时需要额外的供电,因此,必须相应调整1-Wire器件上拉电阻(RPUP)。

引言

1-Wire总线是一种简单的信令方案,完成一台主控制器与一台或多台从机之间的半双工双向通信,它们共享一条公共数据线。供电和数据通信都在这一条线上进行。大部分1-Wire器件功率非常小,只要几十个微安就可以工作和通信。而有的1-Wire器件在某些工作中需要较大的功率,例如EEPROM写操作,或者器件专用计算和测量等。当功率需求增大时,1-Wire总线上的电压不能低于器件的最小工作上拉电压(VPUP),这一点非常重要。对于大部分分布式供电的1-Wire器件,最小工作电压(VPUP)是2.8V。

需要额外供电的1-Wire器件

表1所示为某些特殊功能需要额外供电的部分1-Wire器件列表。

表1. 需要额外供电的器件
Part EEPROM SHA-1 Temperature ADC
DS18B20 Check   Check  
DS1920 Check   Check  
DS1961S Check Check    
DS1971 Check      
DS1972 Check      
DS1973 Check      
DS1977 Check      
DS2431 Check      
DS2432 Check Check    
DS2450       Check
DS28E01-100 Check Check    
DS28E04-100 Check      
DS28EA00 Check   Check  
DS28EC20 Check      

怎样在EC表中确定额外供电的要求

数据资料电气特性(EC)表中的各项内容(表2)列出了器件的额外供电要求。EC表中的上拉电阻规范(RPUP)只用于1-Wire通信,不包括特殊工作需要的额外供电要求。

表2. EC表参数详细说明了额外供电要求
Parameter Description Symbol 1-Wire Device
Programming Current IPROG DS1961S, DS1972, DS2431, DS28E01, DS28E04, DS28E00
Programming Current ILPROG DS1973, DS1977, DS2432
Programming Current IP DS1971 (DS2430A)
SHA Computation Current ILCSHA DS1961S, DS28E01
Active Current IDD, IDQA DS1920, DS18B20, DS18B20-PAR
Conversion Current ICONV DS28EA00
Operating Current ICC DS2450

图1. DS28EA00的EC表实例
图1. DS28EA00的EC表实例

可用电源

对于给定的VPUP和RPUP,VPUP和1-Wire器件VPUPmin之间的电压差决定了特殊功能可用的电流。可用电流的计算为IAVAIL = (VPUP - VPUPmin)/RPUP一个实际计算如下:

VPUP = 5V
RPUP = 2kΩ
VPUPmin = 2.8V,得到IAVAIL = 1.1mA。

对于这个例子,在1-Wire电压降到最小VPUP之前,有1.1mA的电流。如果可用电流还无法满足应用要求,那么,需要一个较小的上拉电阻或者上拉电阻低阻抗旁路。

选择合适的上拉(RPUP)

通过上拉电阻(RPUP),在额定VPUP到最小VPUP之间划分电压降来计算可用电流。图2画出了这一计算,它基于5V的VPUP,器件具有2.8V的最小VPUP。在5V上拉电压时,小于等于2.2kΩ的上拉电阻至少可实现1mA电流。

图2. VPUP = 5V的可用电流
图2. VPUP = 5V的可用电流

相似的,图3显示了基于3.3V VPUP的可用电流。由于上拉电阻允许电压降只有0.5V,只能提供非常小的电流。需要采用其他方法来提供额外的电流(参见下面的低阻旁路一节)。

图3. VPUP = 3.3V的可用电流
图3. VPUP = 3.3V的可用电流

其他考虑

选择非常低的上拉电阻值可以实现所需的功率以运行特殊功能。但是,这一配置提高了1-Wire总线上的逻辑0电压。如果VOL电平不满足1-Wire从机或者1-Wire主机要求的最小电压输入低电平(VIL),将无法实现可靠的通信。1-Wire器件最常用的VOL规范是4mA时最大0.4V。当1-Wire器件以逻辑0响应时,这一数值相当于最大100Ω的阻抗。VIL在0.3V至0.8V之间变化,具体取决于1-Wire器件。对于总线上的多个1-Wire器件,最小VIL对此进行了限制。满足逻辑0要求的上拉电阻值计算如下:RPUPmin = 100Ω × (VPUP/VILmax - 1)。

(注释:开始可以不用100Ω计算该方程,而是用VOL/4mA。)

因此,假设VIL最大0.4V,结果是

对于VPUP = 5V: 1150Ω
对于VPUP = 3.3V: 725Ω

假设VIL最大0.3V,结果是

对于VPUP = 5V: 1567Ω
对于VPUP = 3.3V: 1000Ω

当选择合适的上拉时,还必须考虑上拉电阻和电源供电的容限。这些容限不相关,即,它们可以在任一(正、负)侧相加,或者相互抵消。总是需要检查最差组合:电压上限,电阻下限(即,最大VOL),以及电压下限,电阻上限(即,最小额外电流)。

低阻旁路

如果满足VOL和VIL要求时需要一个上拉电阻,而电阻无法支持所要求的电流,那么,必须通过其他方法来提供额外电流。对此有两种方法:
  1. 采用分立的低阻抗旁路(也称为强上拉),只在大电流要求时工作。
  2. 利用具有强上拉的1-Wire接口器件。
应用笔记4206,“为嵌入式应用选择合适的1-Wire®主机”以及应用笔记244,“性能优异的1-Wire网络驱动器”介绍了具有分立强上拉1-Wire主机的例子。图4显示了额外IO引脚控制的强上拉。

图4. 强上拉具有可选电路的双向端口引脚(虚线)
图4. 强上拉具有可选电路的双向端口引脚(虚线)

三种1-Wire接口芯片具有强上拉特性(表3)。DS2842-100还具有外部控制信号,可用于驱动其他的分立超强上拉。

表3. 1-Wire主机接口器件
Device Interface Features
DS2480B Serial Strong pullup, active pullup
DS2482-100 I²C Single 1-Wire channel with built in strong pullup, optional active pullup, control signal for extra-strong pullup
DS2482-800 I²C Eight 1-Wire channels with built in strong pullup, optional active pullup

结论

1-Wire器件温度转换、EEPROM或者SHA-1引擎等扩展功能要正常工作,必须从1-Wire主机为这些器件提供足够的电流,而且不能使1-Wire降到最小电压上拉(VPUP)。因此,必须调整1-Wire上拉电阻(RPUP),针对具体应用提供所要求的电流。如果应用要求不支持大小合适的上拉电阻,那么,必须采用分立的强上拉电路或者DS2480B和DS2482等1-Wire接口芯片来满足电流要求。