DS2433设计转变为DS24B33 4Kb 1-Wire EEPROM

 

引言

DS24B33是DS2433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”。
    

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”。 
 

1. 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。
    
2. 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					kΩ

   
   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	kΩ	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。
    

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。

 

1. 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。
    
2. 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。
    
3. 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。