深入解析 N24C02/04/08/16：高性能CMOS串行EEPROM

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

在电子设备设计中，数据存储是一个关键环节，EEPROM（电可擦可编程只读存储器）因其非易失性和可重复编程的特性，成为了众多应用的理想选择。今天，我们就来深入探讨 ON Semiconductor 推出的 N24C02/04/08/16 系列 $I^{2}C$ CMOS 串行 EEPROM，看看它们在设计中能为我们带来哪些便利和优势。

文件下载：onsemi N24C16 EEPROM存储器.pdf

产品概述

N24C02/04/08/16 是一系列支持 $I^{2}C$ 协议的 EEPROM 器件，分别提供 2Kb、4Kb、8Kb 和 16Kb 的存储容量。这些器件内部被组织成不同数量的 16 字节页面，具体为 N24C02 有 16 页，N24C04 有 32 页，N24C08 有 64 页，N24C16 有 128 页。它们支持标准（100 kHz）、快速（400 kHz）和快速 +（1 MHz）三种 $I^{2}C$ 协议模式，能满足不同应用场景下对数据传输速率的要求。

功能符号

产品特性

宽温度范围与高可靠性

该系列产品通过了汽车 AEC - Q100 Grade 1 认证，工作温度范围为 - 40°C 至 + 125°C，适用于工业和汽车等对可靠性要求较高的应用环境。同时，它们具有超过 1,000,000 次的编程/擦除周期和 100 年的数据保留时间，确保了数据的长期稳定存储。

低功耗与宽电压范围

采用低功耗 CMOS 技术，工作时功耗较低。供电电压范围为 1.7 V / 1.6 V 至 5.5 V，能适应不同的电源系统，为设计带来了更大的灵活性。

快速写入与硬件保护

具备 16 字节的页面写入缓冲区，最大写入时间仅为 4 ms，提高了数据写入效率。此外，还提供了硬件写入保护功能，通过 WP 引脚可以对整个存储器进行写入保护，防止误写入操作。

抗干扰设计

在 $I^{2}C$ 总线输入（SCL 和 SDA）上集成了施密特触发器和噪声抑制滤波器，有效提高了总线的抗干扰能力，保证了数据传输的稳定性。

引脚配置与功能

引脚配置

该系列产品采用 US 8 - 引脚封装，引脚配置清晰明确。各引脚功能如下：

• A0、A1、A2：设备地址输入引脚，用于设置设备地址，方便在同一总线上级联多个设备。
• SDA：串行数据输入/输出引脚，用于数据的传输。
• SCL：串行时钟输入引脚，接收主设备生成的串行时钟信号。
• WP：写入保护输入引脚，当该引脚拉高时，禁止所有写入操作。
• Vcc：电源引脚，提供设备工作所需的电源。
• Vss：接地引脚。
• NC：未连接引脚。

引脚功能详解

• SCL 和 SDA：作为 $I^{2}C$ 总线的核心引脚，SCL 提供时钟信号，SDA 负责数据传输。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 线的电平转换在 SCL 线为高电平时会被解释为起始或停止条件。
• A0、A1、A2：在级联多个设备时，通过设置这三个引脚的电平状态，可以为每个设备分配唯一的地址，最多可以在同一总线上连接 8 个 N24C02、4 个 N24C04、2 个 N24C08 或 1 个 N24C16 设备。
• WP：该引脚为数据存储提供了额外的保护。当 WP 引脚拉高时，整个存储器将被保护，防止意外的写入操作，确保数据的安全性。

电气特性

绝对最大额定值

在使用该系列产品时，需要注意其绝对最大额定值，以避免对设备造成损坏。存储温度范围为 - 65°C 至 + 150°C，任何引脚相对于地的电压范围为 - 0.5 V 至 + 6.5 V。在输入转换期间，任何引脚的电压下冲不应超过 - 1 V 超过 20 ns，A0、A1、A2 和 WP 引脚的电压过冲不应超过 $V_{CC}$ + 1 V 超过 20 ns，$I^{2}C$ 总线引脚（SCL 和 SDA）的电压不应超过绝对最大额定值。

直流和交流特性

该系列产品的直流和交流特性详细规定了其在不同工作条件下的性能指标。例如，在不同的电源电压和温度范围内，规定了读取电流、写入电流、待机电流、输入输出电压等参数。交流特性则包括时钟频率、起始条件保持时间、时钟低电平周期等，这些参数确保了设备在 $I^{2}C$ 总线上的正常通信。

工作模式与操作流程

上电复位（POR）

每个 N24Cxx 器件都集成了上电复位（POR）电路，当 $V{CC}$ 超过 POR 触发电平后，设备将进入待机模式；当 $V{CC}$ 低于 POR 触发电平时，设备将进入复位模式。这种双向的 POR 功能可以有效保护设备，防止因临时掉电导致的 “欠压” 故障。

$I^{2}C$ 总线协议

$I^{2}C$ 总线由 SCL 和 SDA 两条线组成，通过上拉电阻连接到 $V_{CC}$。主设备和从设备通过各自的 SCL 和 SDA 引脚连接到总线。数据传输通过主设备生成的起始和停止条件来控制，起始条件是 SCL 为高电平时 SDA 从高到低的转换，停止条件是 SCL 为高电平时 SDA 从低到高的转换。

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 位的串行从设备地址。对于正常的读写操作，从设备地址的前 4 位固定为 1010（Ah），接下来的 3 位用于级联多个设备时的可编程地址位或内部地址位，最后一位 R/W 用于指定是读（1）还是写（0）操作。

应答机制

从设备在处理完从设备地址后，会在第 9 个时钟周期通过拉低 SDA 线来响应一个应答（ACK）信号。在写入模式下，从设备会对地址字节和每个数据字节进行应答；在读取模式下，从设备会移出一个数据字节，然后在第 9 个时钟周期释放 SDA 线。主设备通过是否应答数据来控制数据传输的结束。

读写操作

写入操作

• 字节写入：主设备发送起始条件和 R/W 位为 0 的从设备地址，从设备应答后，主设备发送要写入的字节地址，再次收到从设备应答后，主设备发送要写入的数据字节。从设备应答数据字节后，主设备生成停止条件，设备开始内部写入周期将数据写入非易失性存储器。
• 页面写入：页面写入操作与字节写入操作类似，但主设备可以连续发送最多 16 个字节的数据。从设备在每个字节传输后都会应答，并内部递增低 4 位地址。如果主设备在发送停止条件之前发送超过 16 个字节，地址计数器将回绕到页面开头，之前传输的数据将被覆盖。
• 应答轮询：应答轮询用于检测设备是否完成内部写入操作。主设备在发送停止条件后，可以立即发起应答轮询，发送起始条件和写操作的从设备地址。如果设备仍在进行写入操作，将返回无应答（NoACK）；如果设备完成写入操作，将返回应答（ACK），主设备可以继续进行下一次读写操作。

读取操作

• 立即读取：主设备发送 R/W 位为 1 的从设备地址，从设备将其解释为读取当前字节地址数据的请求。从设备应答从设备地址后，立即移出当前地址的数据，等待主设备响应。如果主设备不应答数据并发送停止条件，从设备将返回待机模式。
• 选择性读取：主设备先进行一个 “虚拟” 写入操作，发送起始条件、从设备地址和要读取的字节地址。从设备应答字节地址后，主设备重新发送起始条件和 R/W 位为 1 的从设备地址，从设备应答并发送请求的数据字节。主设备不应答数据但生成停止条件。
• 顺序读取：在读取会话中，如果主设备应答第一个数据字节，从设备将继续传输后续地址的数据，直到主设备发送无应答（NoACK）并随后发送停止条件。与页面写入不同，顺序读取时地址计数器会自动递增并在存储器末尾回绕。

订购信息

该系列产品提供了不同的订购选项，包括不同的温度范围和包装类型。例如，N24C02 有工业级（- 40°C 至 + 85°C）和汽车级（- 40°C 至 + 125°C）两种温度范围可供选择，包装类型为 US - 8 引脚封装，采用卷带包装，每卷 3000 个单位。

总结

N24C02/04/08/16 系列 $I^{2}C$ CMOS 串行 EEPROM 以其丰富的特性、灵活的操作模式和良好的可靠性，为电子工程师在数据存储设计方面提供了一个优秀的解决方案。无论是工业控制、汽车电子还是其他对数据存储有需求的应用场景，这些器件都能发挥出其优势。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求选择合适的型号，并严格按照其电气特性和操作流程进行设计，以确保设备的正常工作。你在使用 EEPROM 时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。