Onsemi N24C256X：256 Kb I²C CMOS 串行 EEPROM 深度解析

引言

在电子设计领域，EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）是一种非常重要的存储器件，广泛应用于各种电子设备中。Onsemi 的 N24C256X 是一款 256 Kb 的串行 CMOS EEPROM，具有诸多优秀特性，本文将对其进行详细解析，为电子工程师在设计中使用该器件提供参考。

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产品概述

N24C256X 是一款 256 Kb 的串行 CMOS EEPROM，内部组织为 32,768 个 8 位字。它具备 64 字节的页写缓冲区，支持标准（100 kHz）、快速（400 kHz）和快速增强（1 MHz）的 I²C 协议。此外，该器件还拥有 128 位工厂设置的只读唯一 ID 和整个阵列的软件写保护功能，唯一 ID 可用于识别制造商和设备。

产品特性

电气特性

1. 供电电压范围：1.7 V 至 5.5 V，适应多种电源环境。
2. 低功耗 CMOS 技术：降低功耗，延长设备续航时间。
3. 高耐用性：支持 1,000,000 次编程/擦除周期，数据保留时间长达 100 年。
4. 工作温度范围广：-40°C 至 +125°C，适用于各种恶劣环境。

接口特性

1. I²C 协议支持：支持标准、快速和快速增强的 I²C 协议，满足不同数据传输速率需求。
2. 低电压操作：SCL 和 SDA 引脚可在 1.2 V 下工作。
3. 页写缓冲区：64 字节的页写缓冲区，提高数据写入效率。
4. 噪声抑制：I²C 总线输入（SCL 和 SDA）上具有施密特触发器和噪声抑制滤波器，增强抗干扰能力。

封装特性

采用超薄 4 球 WLCSP 封装，尺寸小巧，节省电路板空间。同时，该器件符合无铅、无卤和 RoHS 标准，环保可靠。

引脚配置与功能

引脚名称	功能
SDA	串行数据输入/输出
SCL	串行时钟输入
VCC	电源供应
VSS	接地

电气特性参数

绝对最大额定值

参数	额定值	单位
存储温度范围	–65 至 +150	°C
工作温度范围	–40 至 +125	°C
任何引脚相对于地的电压	–0.5 至 +6.5	V
静电脉冲（VESD） - HBM（人体模型）	2000	V
静电脉冲（VESD） - CDM（带电设备模型）	1000	V

可靠性特性

符号	参数	最小值	单位
NEND	耐久性	1,000,000	编程/擦除周期
TDR	数据保留	100	年

直流和交流操作特性

供电电压/温度范围	操作
VCC = 1.7 V 至 5.5 V，TA = -40 °C 至 +125 °C	读/写

直流操作特性

符号	参数	测试条件	最小值	最大值	单位
ISCR	读电流	读，fSCL = 400 kHz/1 MHz		1	mA
ICCW	写电流			2.5	mA
ISB	待机电流	所有 I/O 引脚接地或 VCC		2	μA
I	I/O 引脚泄漏	引脚接地或 VCC		2	μA
VIL	输入低电压		-0.5	0.24	V
VIH	输入高电压		0.96	5.5	V
VHYS	输入滞后电压		90		mV
VOL	输出低电压	10L = 3.0 mA		0.4	V

引脚阻抗特性

符号	参数	条件	最小值	最大值	单位
CIN	SDA I/O 引脚电容	VIN = 0 V		8	pF
CIN	输入电容（其他引脚）	VIN = 0 V		6	pF

交流特性

符号	参数	标准	快速	快速增强	单位
最小值	最大值	最小值	最大值	最小值	最大值
FSCL	时钟频率		100		400		1000	kHz
tHD:STA	起始条件保持时间	4		0.6		0.26		μs
tLOW	SCL 时钟低电平周期	4.7		1.3		0.50		μs
tHIGH	SCL 时钟高电平周期	4		0.6		0.26		μs
tSU:STA	起始条件建立时间	4.7		0.6		0.26		μs
tHD:DAT	数据输入保持时间	0		0		0		μs
tSU:DAT	数据输入建立时间	250		100		50		ns
tR	SDA 和 SCL 上升时间		1000	20	300		100	ns
tF	SDA 和 SCL 下降时间		300	20	300		100	ns
tSU:STO	停止条件建立时间	4		0.6		0.25		μs
tBUF	停止和起始之间的总线空闲时间	4.7		1.3		0.5		μs
tAA	SCL 低电平到数据输出有效		3.5		0.9		0.45	μs
tDH	数据输出保持时间	100		100		50		ns
Ti	SCL 和 SDA 输入的噪声脉冲滤波		50		50		50	ns
tWR	写周期时间		5		5		5	ms
tPU	上电到就绪模式		0.8		0.8		0.8	ms

功能描述

上电复位（POR）

N24C256X 内置上电复位（POR）电路，可防止设备在错误状态下上电。当 VCC 超过 POR 触发电平，设备将进入待机模式；当 VCC 低于 POR 触发电平，设备将进入复位模式。这种双向 POR 功能可保护设备免受临时电源丢失导致的“掉电”故障。

I²C 总线协议

I²C 总线由 SCL 和 SDA 两根线组成，通过上拉电阻连接到 1.2 V 电源。主设备和从设备通过各自的 SCL 和 SDA 引脚连接到 2 线总线。发送设备通过拉低 SDA 线发送“0”，释放 SDA 线发送“1”。数据传输仅在总线空闲时启动，在数据传输过程中，SDA 线在 SCL 线为高电平时必须保持稳定，SDA 线在 SCL 线为高电平时的转换将被解释为起始或停止条件。

设备寻址

主设备通过在总线上创建起始条件来启动数据传输，然后广播一个 8 位串行从设备地址。对于正常读写操作，从设备地址的前 7 位设置为 1010001；对于特殊读写操作，设置为 1011001。最后一位 R/W 指定是读（1）还是写（0）操作。

应答

从设备处理从设备地址后，在第 9 个时钟周期通过拉低 SDA 线进行应答（ACK）。在写模式下，如果寻址位置未被写保护，从设备还将应答所有地址字节和每个数据字节。在读模式下，从设备移出一个数据字节，然后在第 9 个时钟周期释放 SDA 线。只要主设备应答数据，从设备将继续传输。主设备通过不应答最后一个数据字节（NoACK）并发出停止条件来终止会话。

读写操作

写操作

字节写

在字节写模式下，主设备发送起始信号，随后发送从设备地址、两个字节地址和要写入的数据。从设备 N24C256X 应答所有 4 个字节，主设备随后发出停止信号，启动内部写操作。在内部写周期（tWR）内，N24C256X 不会应答主设备的任何读写请求。

页写

N24C256X 包含 32,768 字节的数据，分为 512 页，每页 64 字节。在从设备地址之后，一个两字节地址字指向要写入内存阵列的第一个字节。地址有效位（a14 到 a6）的最高 9 位标识页面，最后 6 位（a5 到 a0）标识页面内的字节。一次写周期最多可写入 64 字节，内部字节地址计数器在每个数据字节加载后自动递增。如果主设备传输超过 64 个数据字节，较早的字节将被较晚的字节以“环绕”方式覆盖（在所选页面内）。内部写周期在停止信号后立即开始。

设备配置寄存器写

设备配置寄存器写指令类似于字节写指令。用户必须使用头 1011b 后跟 001 位对设备进行寻址。第二个字节由 xxxx xl1x 组成，其中 x 为无关位。第三个字节也是无关位。数据字节的 SWP 位将被写入设备配置寄存器，SWP 位是软件写保护位，一旦设置为 1，整个内存阵列和设备配置寄存器将永久受到写操作保护。

读操作

立即读

当 N24C256X 接收到 R/W 位设置为“1”的从设备地址时，将其解释为对内存中当前字节地址处数据的请求。N24C256X 应答从设备地址，立即移出当前地址处的数据，然后等待主设备响应。如果主设备不应答数据（NoACK）并随后发出停止条件，N24C256X 返回待机模式。

选择性读

要读取特定位置的数据，必须首先按照字节写的方式初始化内部地址计数器。如果主设备在两个地址字节后不跟随数据，而是跟随立即读序列，N24C256X 将使用 15 个有效地址位初始化内部地址计数器，并移出相应位置的数据。如果主设备不应答数据（NoACK）并随后发出停止条件，N24C256X 返回待机模式。

顺序读

如果在读取会话中主设备应答第一个数据字节，N24C256X 将继续传输后续位置的数据，直到主设备以 NoACK 响应，随后发出停止信号。与页写不同，在顺序读期间，地址计数将自动递增并在内存末尾“环绕”（而不是页面末尾）。

设备配置寄存器读

设备配置寄存器读指令类似于选择性读指令。用户必须像设备配置寄存器写指令一样发送设备头和两个地址字节。这个虚拟写指令之后是一个设备头为 1011b 的立即读，设备将返回设备配置寄存器的内容。无关位将被读为 1。如果主设备应答数据字节，请求更多数据，设备将继续返回设备配置寄存器的内容，直到主设备以 NoACK 响应。

唯一 ID 号读

唯一 ID 号读指令类似于顺序读指令。用户必须发送以 1011b 开头的设备头，后跟 001 位。如表 8 所示，第二个字节由 xxxx x01x 组成，第三个字节为 xxxx 0000，其中 x 为无关位。这个虚拟写指令之后是一个设备头为 1011b 的立即读，设备将逐字节返回唯一 ID。唯一 ID 长度为 16 字节（128 位），第一个字节包含制造商 ID，第二个字节包含设备 ID。在唯一 ID 的最后一个字节移出后，如果主设备应答（请求更多数据），设备将“环绕”并从开头开始返回唯一 ID。

订购信息

设备订购编号	特定设备标记	封装类型	温度范围	运输方式
N24C256X - 1CBT5G	J	WLCSP 4 球	工业级（-40°C 至 +125°C）	卷带包装，每卷 5,000 个

总结

Onsemi 的 N24C256X 是一款功能强大、性能可靠的串行 EEPROM，具有广泛的应用前景。其丰富的特性和灵活的读写操作方式，为电子工程师在设计中提供了更多的选择。在使用该器件时，工程师需要根据具体的应用需求，合理配置相关参数，以确保设备的稳定运行。同时，要注意遵循相关的使用注意事项，如避免 WLCSP 封装的 EEPROM 暴露在紫外线下等。希望本文能为电子工程师在使用 N24C256X 时提供有益的参考。你在实际设计中是否使用过类似的 EEPROM 器件？遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。