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                                  如何隔离I2C接口的信号和电源

                                  2021-01-19 06:47:10 发表

                                  简介:集成电路间(I2C)总线通信是一种用于短距离通信的双线半双工方法,由于其简单性而被广泛用于各种应用。在使用I2C总线在不同电位的两个域之间进行通信的系统中,或者在存在高电压的系统中,可以使用电流隔离来保护电路和操作人员,并断开会产生干扰信号通信的噪声的接地环路。 由于数字隔离器本质上是单向的,因此实现I2C总线的双向通信给系统设计人员带来了诸多挑战。本文档将介绍隔离I2C总线的不同方法,以及如何为这些解决方案提供隔离电源。

                                  信号隔离:I2C总线的信号隔离可以通过两种方法实现。第一种方法是使用带外部电路的数字隔离器,将双向数据路径分成两个单向通道。双向数据被分离成单向信号后,数字隔离器将对每个通道的输入信号进行调制,并在解调输出信号之前将信号通过隔离栅。应用笔记《利用数字隔离器设计隔离I2C总线接口》更详细地解释了将双向I2C信号分离为单向信号以与数字隔离器接口的设计考虑和方法。


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                                  图1.用数字隔离器实现隔离I2C


                                  图1显示了该方法在使用ISO7731等三通道数字隔离器的双向数据和单向时钟应用中的实现。对于需要双向数据和时钟信号的多主机系统,应用笔记中解释的相同方法可用于ISO7742等四通道数字隔离器。隔离I2C总线的第二种方法是使用集成解决方案,例如设备器件。这些集成解决方案使用内部电路和数字隔离器来实现相同的隔离I2C缓冲器功能。ISO1540专为具有双向数据和时钟信号的多主机系统设计,ISO1541专为具有双向数据和单向时钟的系统设计。如果具有双向数据和单向时钟的应用需要时钟拉伸功能,建议使用ISO1540实现时钟拉伸。

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                                  图2.将双向信号分离成单向隔离通道的方法

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                                  电源隔离:无论选择何种方法隔离I2C信号,都需要一个隔离电源为数字隔离器或隔离I2C缓冲器的次级端供电。提供隔离电源的第一种解决方案是使用类似于图3的电路,该电路使用SN6501变压器驱动器以推挽配置驱动变压器。这种解决方案的好处是,它提供了80%以上的效率,并且可以选择变压器和LDO进行优化,以满足特定的设计考虑。SN6501提供高达1.5瓦的功率,如果附加设备需要隔离电源,可以用SN6505替换,功率高达5瓦。

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                                  图3.与ISO1541的信号和电源隔离I2C解决方案

                                  在I2C系统中提供隔离电源的第二种解决方案是用ISOW7842替代信号隔离解决方案中的数字隔离器。ISOW7842器件是一款数字隔离器,集成信号和电源隔离,采用16引脚SOIC封装。该器件的优势在于,通过集成变压器、变压器驱动器和LDO,它大大减少了电路板空间。小尺寸解决方案在效率上有所权衡,因为集成到芯片中的变压器通常提供约50%的效率,并且可以提供高达650兆瓦的隔离功率。使用集成电源解决方案时,由于变压器尺寸较小,开关频率较高,因此与分立解决方案相比,会产生更高的辐射。如应用笔记《采用ISOW7841集成信号和电源隔离器的低辐射设计》所示,可以通过拼接电容来降低这些辐射。图4显示了ISOW7842在具有双向数据和单向时钟的系统中的实现。如果需要双向时钟,用于分离SDA信号的相同方法可以应用于时钟信号。

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                                  图4.使用ISOW7842的信号和电源隔离I2C解决方案

                                  结论:I2C系统有许多隔离信号和电源的方法,正确的选择取决于具体的应用要求。sowl x系列等隔离式I2C缓冲器集成了隔离SDA和SCL信号所需的所有外部电路,从而简化了设计,同时防止闩锁并符合I2C标准。在某些情况下,拥有众多封装和隔离等级的灵活性可能是有益的。使用ISO77xx系列数字隔离器的分立解决方案提供了这种灵活性,并且在设计正确的情况下,仍然可以实现与集成解决方案相同的隔离I2C功能。对于隔离电源,关键的权衡是效率与电路板空间。SN6501解决方案为产生隔离电源提供了一种紧凑、低噪声、高效率的解决方案。对于需要进一步减少电路板空间的应用,与第一种解决方案相比,ISOW7842解决方案简化了设计并减少了电路板空间。系统设计人员必须权衡隔离I2C系统中隔离信号和电源的各种解决方案,以确定最适合其特定应用的方案。


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