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I2C隔离调试那些事

1.引言

I2C总线是20世纪80年代早期由飞利浦公司开发的一种多主模式,半双工,双向双线制串行总线。该总线适用于短距离多电路板之间的通信。出于对电路系统可靠性和终端设备安全方面的考虑,I2C总线接口的隔离显得尤为重要。

I2C总线接口隔离的难点在于I2C接口的双向性。目前I2C接口隔离大多通过高速光耦及外围器件实现。但是一个完整的I2C接口需要4个光耦,这增加了隔离方案的成本及电路系统复杂性,同时光耦存在功耗高,延时长及温漂等缺点。因此,通过光耦实现I2C接口隔离,并不是一个好的选择。

本文简要介绍了I2C总线物理层的通讯原理,重点讨论了使用荣湃数字隔离器Pai22x系列在实现可靠I2C接口隔离的技术一些注意事项。

2.I2C总线简介

I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL,应用范围很广,详细如图一所示。


图一 I2C总线应用案例

I2C总线接口隔离的难点在于I2C接口的双向性。总线采用7位地址空间,但需要有16个保留地址,因此理论上在同一条I2C总线上,最多能有27-16个,即112个通讯节点。但是在实际使用中,通讯节点数还受I2C总线最大容许电容400PF的限制,同时也限制了通讯距离最大只有几米远。

I2C总线规定的4种模式下的通讯速率如表1所示:

通讯模式

标准模式

快速模式

增强快速模式

高速模式

通讯速率

100Kbps

400Kbps

1Mbps

3.4Mbps

表1 I2C四种模式下通讯速率

大部分的工程师在用到I2C总线是板内,或走线相对较短,当I2C双向连接的器件一端需要长线或走线出板的时候,在通讯的时候可能会发生丢码或误码的情况。I2C隔离内部原理框图如图二所示,如果I2C的其中一端连接的器件走线较长,建议连接线短的器件做从机,走线长的器件做主机,客户可以按照实际情况做调整来避免这种情况的发生。



图二 I2C内部原理

3.I2C隔离电路设计

下面着重讨论多主模式下,I2C接口隔离方案:在多主模式下,如果使用传统光耦进行隔离,由于串行数据线SDA和串行时钟线SCL都需要双向通信,因此需要4个光耦。使用荣湃半导体公司推出的Pai220N可实现多主模式下隔离。Pai220N系列是高可靠性的双通道双向I2C数字隔离器,提供符合UL1577的电气隔离耐压3000Vrms,且具有高电磁抗扰度和低辐射的特性,支持I2C接口,SMBus,PMBus等,详细如图三所示。


图三 I2C隔离原理图

荣湃半导体(上海)有限公司的技术应用工程师程忠诚先生介绍到,数字隔离器相对于光耦而言,外围电路更加简单。需要注意的是除了在VDD1/VDD2对地之间增加100nF-1uF电容,布板时尽量靠近VDD1/VDD2引脚外,为了保证产品的可靠性,防止信号过冲,增加电路的鲁棒性,建议在客户可以在I2C隔离芯片的VDD1/VDD2电源脚增加一个50-100欧姆的上拉电阻,详细如图四所示。


图四 I2C隔离增加上拉电阻原理图

荣湃半导体公司的代理商南京商络电子股份有限公司,其业务拓展中心副中心长孙建军先生介绍到,除了I2C隔离应用外,荣湃半导体公司已经上市多款高性能数字隔离器,综合性能优于市场上的其他竞争对手(如速度快4倍,工作电流降低5倍,延迟降低2.0倍),以及最新发布的全球最小DFN封装的数字隔离芯片,适合RS485接口通讯,CAN隔离,SPI隔离通讯等隔离应用。

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