ZHCAAF1B August 2018 – May 2021 ISO1640 , ISO1640-Q1 , ISO1641 , ISO7731 , ISO7742 , ISOW7740 , ISOW7741 , ISOW7742 , ISOW7743 , ISOW7744 , ISOW7821 , ISOW7840 , ISOW7841 , ISOW7843 , ISOW7844 , SN6501 , SN6501-Q1 , SN6505A , SN6505B
1 TI 技術(shù)手冊(cè)
集成電路 (I2C) 間總線通訊是一種用于短距離通信的兩線半雙工通信方式，由于其簡(jiǎn)單易行而被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。在使用 I2C 總線進(jìn)行不同電位的兩個(gè)域之間的通信或存在高電壓的系統(tǒng)中，電氣隔離可用于保護(hù)電路和操作人員以及會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)通信的噪聲的接地回路。
由于數(shù)字隔離器固有的單向性，實(shí)現(xiàn) I2C 總線的雙向通信給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了許多挑戰(zhàn)。本文檔將介紹隔離 I2C 總線的不同實(shí)現(xiàn)方案以及如何為這些方案提供隔離式電源。
信號(hào)隔離
I2C 總線的信號(hào)隔離可通過兩種方法實(shí)現(xiàn)。第一種方法是使用帶外部電路的數(shù)字隔離器將雙向數(shù)據(jù)路徑分離成兩個(gè)單向通道。在將雙向數(shù)據(jù)分離成單向信號(hào)后，數(shù)字隔離器將調(diào)制每個(gè)通道的輸入信號(hào)，并在解調(diào)輸出端信號(hào)之前通過隔離柵傳遞信號(hào)。應(yīng)用手冊(cè)使用數(shù)字隔離器設(shè)計(jì)增強(qiáng)型隔離式 I2C 總線接口更詳細(xì)地解釋了將雙向 I2C 信號(hào)分離為單向信號(hào)以與數(shù)字隔離器連接的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和方法。
圖 1-1 用數(shù)字隔離器分立式實(shí)現(xiàn)隔離式 I2C圖 1-1 展示了如何使用 ISO6731 或 ISO7731 等三通道數(shù)字隔離器在雙向數(shù)據(jù)和單向時(shí)鐘的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)該方法。對(duì)于需要雙向數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)的多主系統(tǒng)，應(yīng)用手冊(cè)中闡明的方法同樣可使用 ISO6742 或 ISO7742 等四通道數(shù)字隔離器來實(shí)現(xiàn)。
第二種隔離 I2C 總線的方法是使用集成解決方案，例如 ISO164x 系列器件。此類集成電路解決方案將內(nèi)部電路與數(shù)字隔離器結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)相同的隔離式 I2C 緩沖器功能。ISO1640 專為具有雙向數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)的多主系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，ISO1641 專為具有雙向數(shù)據(jù)和單向時(shí)鐘的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。如果具有雙向數(shù)據(jù)和單向時(shí)鐘的應(yīng)用需要時(shí)鐘拉伸功能，建議使用 ISO1640 來實(shí)現(xiàn)。
圖 1-2 將雙向 SDA 信號(hào)分離為單向隔離通道的 ISO164x 方案圖 1-2 功能圖展示了 I2C 總線的雙向串行數(shù)據(jù)線 (SDA) 信號(hào)如何在內(nèi)部分離為兩個(gè)使用數(shù)字隔離器通道隔離的單向信號(hào)。隔離式 I2C 器件在第 1 側(cè)連接一個(gè)低電容 I2C 節(jié)點(diǎn)，在第 2 側(cè)連接一個(gè)容值高達(dá) 400pF 的滿載 I2C 總線。內(nèi)部單向通道的排列和連接造就了一個(gè)易于閂鎖的閉合信號(hào)回路。通過實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸出緩沖器 (B) 和一個(gè)輸入緩沖器 (C)，可防止出現(xiàn)這種閂鎖情況。輸出緩沖器 (B) 的輸出低電平由二極管壓降抬升至約 0.65V，輸入緩沖器 (C) 由一個(gè)定義了遲滯的比較器組成。然后，比較器的上下輸入閾值會(huì)區(qū)分來自 SDA1 的低電位和來自輸出緩沖器 B 的電位。
在 I2C 系統(tǒng)中隔離信號(hào)的每種解決方案都會(huì)有取舍。使用數(shù)字隔離器的分立式解決方案在部件選擇方面提供了更大的自由度，ISO6731，ISO6742，ISO7731 或 ISO7742 均提供多種封裝且均具有不同的隔離等級(jí)以適應(yīng)特定的使用場(chǎng)景。然而，該解決方案的缺點(diǎn)是需要會(huì)占用更多布板空間的外部電路。與分立式解決方案相比，采用 ISO1640 或 ISO1641 的集成解決方案占用的布板空間更少，設(shè)計(jì)工作量也更少，但僅能提供有限的封裝和隔離等級(jí)選項(xiàng)。
電源隔離
無論選擇哪種方法來隔離 I2C 信號(hào)，都需要一個(gè)隔離式電源為數(shù)字隔離器的次級(jí)側(cè)或隔離式 I2C 緩沖器供電。提供隔離式電源的第一種解決方案是使用類似于圖 1-3的電路，該電路使用 SN6501 變壓器驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)一個(gè)推挽式變壓器。該解決方案的優(yōu)勢(shì)在于它可實(shí)現(xiàn)超過 80% 的效率，并且可選擇變壓器和 LDO 以根據(jù)具體設(shè)計(jì)考慮進(jìn)行優(yōu)化。SN6501 可提供最高 1.5W 的功率，如果其他器件需要隔離式電源，則可替換為功率高達(dá) 5W 的 SN6505。
圖 1-3 采用 ISO1641 的隔離式 I2C 信號(hào)和電源解決方案在 I2C 系統(tǒng)中提供隔離式電源的第二種解決方案是用 ISOW7741 代替分立式信號(hào)隔離解決方案中的數(shù)字隔離器。ISOW7741 是一款數(shù)字隔離器，在其 16 引腳的 SOIC 封裝中集成了信號(hào)和電源隔離功能。該器件的優(yōu)點(diǎn)是集成了變壓器、變壓器驅(qū)動(dòng)器和 LDO，從而大大減少了占用的布板空間。這種小型解決方案在效率上就有所折衷，集成到芯片中的變壓器提供大約 45% 的典型效率以及最高 500mW 的隔離式電源。采用集成電源解決方案時(shí)，由于變壓器尺寸更小，開關(guān)頻率更高，因此與分立式解決方案相比輻射會(huì)更高。圖 1-4 展示了 ISOW7741 在有雙向數(shù)據(jù)和單向時(shí)鐘的系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方式。如果需要雙向時(shí)鐘，則用于分離 SDA 信號(hào)的方法同樣可應(yīng)用于時(shí)鐘信號(hào)。
圖 1-4 采用 ISOW7741 的隔離式 I2C 信號(hào)和電源解決方案結(jié)論
在 I2C 系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)和電源隔離的方法有很多，需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求做出正確選擇。隔離式 I2C 緩沖器（比如 ISO164x 系列）在集成了隔離 SDA 和 SCL 信號(hào)所需的所有外部電路的同時(shí)防止了閂鎖現(xiàn)象的發(fā)生，且符合 I2C 標(biāo)準(zhǔn)，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。在某些情況下，有眾多封裝和隔離等級(jí)可供靈活選擇可能大有裨益。而采用 ISO77xx 系列數(shù)字隔離器的分立式解決方案提供了這種靈活性，并且在設(shè)計(jì)正確的情況下，仍然可以實(shí)現(xiàn)與集成解決方案相同的隔離式 I2C 的功能。
對(duì)于隔離式電源來說，關(guān)鍵在于如何權(quán)衡效率與布板空間。SN6501 解決方案提供了一種緊湊、低噪聲和高效率的隔離式電源生成方案。對(duì)于需要進(jìn)一步縮減布板空間的應(yīng)用，ISOW7741 解決方案與第一個(gè)解決方案相比簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并減少了布板空間。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須權(quán)衡每種解決方案在隔離式 I2C 系統(tǒng)中隔離信號(hào)和電源的利弊，從而確定最適合其特定應(yīng)用的方案。