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

在電子設備設計中，數據存儲是一個關鍵環節，EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）因其非易失性和可重復編程的特性，成為了眾多應用的理想選擇。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，看看它們在設計中能為我們帶來哪些便利和優勢。

文件下載：onsemi N24C16 EEPROM存儲器.pdf

產品概述

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

功能符號

產品特性

寬溫度范圍與高可靠性

該系列產品通過了汽車 AEC - Q100 Grade 1 認證，工作溫度范圍為 - 40°C 至 + 125°C，適用于工業和汽車等對可靠性要求較高的應用環境。同時，它們具有超過 1,000,000 次的編程/擦除周期和 100 年的數據保留時間，確保了數據的長期穩定存儲。

低功耗與寬電壓范圍

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

快速寫入與硬件保護

具備 16 字節的頁面寫入緩沖區，最大寫入時間僅為 4 ms，提高了數據寫入效率。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。

抗干擾設計

在 $I^{2}C$ 總線輸入（SCL 和 SDA）上集成了施密特觸發器和噪聲抑制濾波器，有效提高了總線的抗干擾能力，保證了數據傳輸的穩定性。

引腳配置與功能

引腳配置

該系列產品采用 US 8 - 引腳封裝，引腳配置清晰明確。各引腳功能如下：

• A0、A1、A2：設備地址輸入引腳，用于設置設備地址，方便在同一總線上級聯多個設備。
• SDA：串行數據輸入/輸出引腳，用于數據的傳輸。
• SCL：串行時鐘輸入引腳，接收主設備生成的串行時鐘信號。
• WP：寫入保護輸入引腳，當該引腳拉高時，禁止所有寫入操作。
• Vcc：電源引腳，提供設備工作所需的電源。
• 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 負責數據傳輸。在數據傳輸過程中，SDA 線在 SCL 線為高電平時必須保持穩定，SDA 線的電平轉換在 SCL 線為高電平時會被解釋為起始或停止條件。
• A0、A1、A2：在級聯多個設備時，通過設置這三個引腳的電平狀態，可以為每個設備分配唯一的地址，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 設備。
• WP：該引腳為數據存儲提供了額外的保護。當 WP 引腳拉高時，整個存儲器將被保護，防止意外的寫入操作，確保數據的安全性。

電氣特性

絕對最大額定值

在使用該系列產品時，需要注意其絕對最大額定值，以避免對設備造成損壞。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。在輸入轉換期間，任何引腳的電壓下沖不應超過 - 1 V 超過 20 ns，A0、A1、A2 和 WP 引腳的電壓過沖不應超過 $V_{CC}$ + 1 V 超過 20 ns，$I^{2}C$ 總線引腳（SCL 和 SDA）的電壓不應超過絕對最大額定值。

直流和交流特性

該系列產品的直流和交流特性詳細規定了其在不同工作條件下的性能指標。例如，在不同的電源電壓和溫度范圍內，規定了讀取電流、寫入電流、待機電流、輸入輸出電壓等參數。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，這些參數確保了設備在 $I^{2}C$ 總線上的正常通信。

工作模式與操作流程

上電復位（POR）

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

$I^{2}C$ 總線協議

$I^{2}C$ 總線由 SCL 和 SDA 兩條線組成，通過上拉電阻連接到 $V_{CC}$。主設備和從設備通過各自的 SCL 和 SDA 引腳連接到總線。數據傳輸通過主設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 從高到低的轉換，停止條件是 SCL 為高電平時 SDA 從低到高的轉換。

設備尋址

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

應答機制

從設備在處理完從設備地址后，會在第 9 個時鐘周期通過拉低 SDA 線來響應一個應答（ACK）信號。在寫入模式下，從設備會對地址字節和每個數據字節進行應答；在讀取模式下，從設備會移出一個數據字節，然后在第 9 個時鐘周期釋放 SDA 線。主設備通過是否應答數據來控制數據傳輸的結束。

讀寫操作

寫入操作

• 字節寫入：主設備發送起始條件和 R/W 位為 0 的從設備地址，從設備應答后，主設備發送要寫入的字節地址，再次收到從設備應答后，主設備發送要寫入的數據字節。從設備應答數據字節后，主設備生成停止條件，設備開始內部寫入周期將數據寫入非易失性存儲器。
• 頁面寫入：頁面寫入操作與字節寫入操作類似，但主設備可以連續發送最多 16 個字節的數據。從設備在每個字節傳輸后都會應答，并內部遞增低 4 位地址。如果主設備在發送停止條件之前發送超過 16 個字節，地址計數器將回繞到頁面開頭，之前傳輸的數據將被覆蓋。
• 應答輪詢：應答輪詢用于檢測設備是否完成內部寫入操作。主設備在發送停止條件后，可以立即發起應答輪詢，發送起始條件和寫操作的從設備地址。如果設備仍在進行寫入操作，將返回無應答（NoACK）；如果設備完成寫入操作，將返回應答（ACK），主設備可以繼續進行下一次讀寫操作。

讀取操作

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

訂購信息

該系列產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

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，為電子工程師在數據存儲設計方面提供了一個優秀的解決方案。無論是工業控制、汽車電子還是其他對數據存儲有需求的應用場景，這些器件都能發揮出其優勢。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求選擇合適的型號，并嚴格按照其電氣特性和操作流程進行設計，以確保設備的正常工作。你在使用 EEPROM 時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。